Downov syndróm je najčastejšia genetická porucha, ktorá postihuje približne 1 zo 700 novorodencov na celom svete. V určitom okamihu počas prvých hodín a dní embryonálneho vývoja sa deliacim sa bunkám nepodarí správne oddeliť pár chromozómov, čím zostane jedna kópia navyše tam, kde nemá byť. Hoci vedci už viac ako šesť desaťročí vedia, že táto extra kópia chromozómu 21 spôsobuje kognitívne poruchy, ktoré sa u ľudí s Downovým syndrómom vyskytujú, o tom, ako a prečo presne sa to deje, sa stále diskutuje.
Prevláda hypotéza, že ľudia s Downovým syndrómom vytvárajú príliš veľa proteínov zakódovaných v génoch, ktoré sa nachádzajú na chromozóme 21, a že táto nadmerná expresia mení načasovanie, vzor alebo rozsah neurologického vývoja. Táto teória má svoj názov: „efekt dávkovania génov“.
V posledných rokoch však vedci pomocou nových techník sekvenovania RNA na štúdium buniek z párov dvojčiat – jedného s Downovým syndrómom a druhého bez neho – opakovane objavili zvláštny vzorec. Neboli to len gény na chromozóme 21, ktoré boli u jedincov s Downovým syndrómom výrazne zvýšené. Expresia génov sa zmenila na všetkých chromozómoch.
Vo štvrtok 6.1.2022 tím z Massachusettského technologického inštitútu v časopise Cell Stem Cell oznámil, že možno našiel prekvapivého vinníka: senescentné bunky (senescentné bunky v tkanivách a orgánoch sú staršie bunky, ktoré už nefungujú tak, ako by mali, navyše ohrozujú aj funkciu okolitých buniek), rovnaké typy, ktoré sa podieľajú na mnohých chorobách starnutia. Štúdia bola malá a predbežná a niektorí odborníci chcú, aby sa zopakovala na vzorkách väčšieho počtu osôb, kým budú výsledky interpretovať. Napriek tomu je to však zaujímavé.
Zaujímavé preto, že ide o tie isté typy buniek, ktoré sa hromadia a znečisťujú tkanivá, keď ľudia starnú, a preto, že mnohé farmaceutické spoločnosti sa teraz ponáhľajú s vývojom liekov, ktoré by z tela odstránili starnúce bunky.
„To, že starnutie môže zohrávať úlohu v neuropatológii Downovho syndrómu, je veľmi zaujímavé,“ povedal Tamir Chandra, molekulárny genetik z Edinburskej univerzity, ktorý sa na novej štúdii podieľal. „To otvára nové dvere pre skúmanie potenciálnych intervencií.“
Senescencia je prirodzená stresová reakcia, pri ktorej bunky strácajú schopnosť deliť sa. Zabraňuje starým, často poruchovým bunkám, aby sa nekontrolovane množili a spôsobovali napr. rakovinu. Senescentné bunky vylučujú cytokíny, chemický signál, ktorý ich označuje na likvidáciu imunitným systémom. S pribúdajúcim vekom však imunitný systém ťažšie drží krok. Senescentné bunky sa hromadia a zaplavujú tkanivá cytokínovým „gulášom“, ktorý vedie k systémovému zápalu. Chandra a ďalší zistili, že bunky prechádzajú aj vnútornými zmenami; chromozómy sa rozpadajú a zhutňujú, čím sa menia typy génov, ktoré bunky exprimujú.
Hiruy Meharena o tomto fenoméne nikdy nepočul, keď v roku 2016 požiadal svojho postdoktorandského poradcu Li-Huei Tsai, riaditeľa Centra Alana pre Downov syndróm a Picowerovho inštitútu pre učenie a pamäť na MIT, či by mohol použiť novú metódu na meranie trojrozmernej architektúry DNA na preskúmanie vnútra mozgových buniek ľudí s Downovým syndrómom. Chcel vedieť, čo by im to mohlo povedať o tom, čo spôsobuje narušenie expresie génov, ktoré zistili iné vedecké tímy.
Spolu s kolegami strávil roky používaním rôznych metód na meranie rozdielov medzi dvoma a tromi kópiami chromozómu 21 v neurálnych progenitorových bunkách a začal pozorovať zásadné zmeny v genóme. Meharenov tím dospel k záveru, že tieto bunky – z ktorých vznikajú neuróny a ďalšie tkanivá centrálneho nervového systému – jednoducho nemajú dostatok miesta na to, aby sa do nich zmestila ďalšia kópia chromozómu 21. Výsledkom tohto preplnenia je reorganizácia 3D tvaru celého genómu vyvíjajúceho sa mozgu.
„Jadro bunky je ako výťah, keď je plný ľudí,“ povedal Meharena. „Už je naplnený a zrazu pristúpi ďalší chromozóm, takže sa všetky ostatné chromozómy stlačia, aby uvoľnili miesto.“ Hlavným dôsledkom tejto „chromozómovej introverzie“, ktorá bola v štúdii dôkladne kvantifikovaná, je viac genetických interakcií v rámci každého chromozómu a menej interakcií medzi nimi. Tieto zmeny a rozdiely v konformácii DNA v bunkovom jadre vedú k zmenám v tom, ako sa gény prepisujú, a teda exprimujú, čo spôsobuje dôležité rozdiely vo funkcii buniek, ktoré ovplyvňujú vývoj mozgu.
Jadro nie je nekonečne sa rozširujúca organela. V jeho jadre sa nachádza DNA, ktorá je voľnejšie stočená, takže sa ľahšie exprimuje – gény sú prístupnejšie pre tvorbu bielkovín. Smerom k periférii sa DNA zhusťuje, čo znamená, že tieto oblasti sú exprimované málo alebo vôbec. Ak však pridáte do zmesi ďalší chromozóm, začnú sa diať zvláštne veci. DNA na periférii sa posunie a ostatné chromozómy sa začnú skladať do seb, čím sa rozhádže celá štruktúra.
Výskumníci najprv nevedeli, čo si o výsledkoch myslieť. „Údaje nás stále viedli do neprebádaných oblastí…“ povedal Meharena pre STAT. „Až na konci sme si uvedomili, že to, čo vidíme, sa veľmi podobá senescencii.“
Keď to zistili, rozhodli sa svoju hypotézu otestovať. Svoje bunky ošetrili kombináciou dvoch senolytických liekov (lieky spomaľujúce starnutie buniek), testovali sa dva: dasatinib a kvercetín. Ak by boli bunky skutočne senescentné, potom by tieto lieky mali znížiť počet senescentných buniek a zároveň zvrátiť mnohé štrukturálne zmeny DNA a poruchy expresie génov. Presne to sa aj stalo. Lieky zlepšili nielen dostupnosť génov a transkripciu, ale aj migráciu a proliferáciu buniek.
Meharena však zdôraznil, že ide len o dôkaz konceptu. „Nešlo o to ukázať senolytiká ako terapeutický zásah,“ povedal. „Na to je ešte príliš skoro.“ Skôr dúfa, že identifikovaním trizómiou indukovanej senescencie ako potenciálnej príčiny neurologických vývojových abnormalít pozorovaných pri Downovom syndróme by jeho práca mohla inšpirovať nové oblasti výskumu budúcej liečby.
Chandra tiež upozornil, že testovanie existujúcich experimentálnych senolytických liekov na zásah do vývoja mozgu u ľudí s Downovým syndrómom by bolo predčasné. Lieky použité v tejto štúdii majú významné a nebezpečné vedľajšie účinky. Napr. dasatinib sa podáva pacientom s rakovinou len vtedy, keď iná liečba nepostačuje, takže nie je vhodný na pokusy a zásahy do vývoja mozgu ľudí s Downovým syndrómom. Je potrebné vykonať ešte veľa práce, aby sa zistilo, akú úlohu zohrávajú senescentné bunky pri vzniku tejto chromozomálnej poruchy. Výsledky štúdie by mohli byť inšpiratívne pre hľadanie liekov s protisenolytickým účinkom s bezpečnejším profilom
„Každý si myslí, že starnúce bunky sú vždy škodlivé,“ povedal Chandra. V posledných rokoch však štúdie ukázali, že tieto bunky niekedy získavajú nové a užitočné funkcie. „Skôr ako začneme ľuďom podávať senolytické lieky, musíme naozaj oveľa lepšie pochopiť, čo tieto bunky v mozgu robia,“ povedal.
Chris Link, ktorý študuje neurodegeneratívne ochorenia na univerzite v Colorade a pracoval na jednej zo štúdií, ktorá zistila rozsiahle narušenie expresie génov v bunkách ľudí s Downovým syndrómom, povedal, že bezprostrednejší vplyv novej štúdie môže pomôcť iným výskumníkom pri rozhodovaní, čo nerobiť.
Je to síce najbežnejšia genetická porucha, ale Downov syndróm je zároveň jednou z najťažšie skúmateľných. Na rozdiel od chorôb spôsobených prepisom v DNA alebo podstatnejšou mutáciou jedného génu neexistuje jednoduchý spôsob, ako vniesť celý chromozóm do buniek v Petriho miskách alebo zvieracích modeloch. Najčastejšie používanými sú myši, ktoré boli upravené tak, aby mali extra dlhý chromozóm nesúci myšie verzie dvoch tretín génov nachádzajúcich sa na ľudskom chromozóme 21. Tie však plne nerekapitulujú fyzickú stiesnenosť, ktorá by podľa Meharenových údajov mohla byť zásadnou príčinou problému.
„Takže sa ukazuje, že toto je dôležité pozorovanie, ktoré by sa malo brať do úvahy pri vytváraní myších modelov – že zrejme možno nemôžu použiť na hľadanie analógie s ľuďmi,“ povedal Link. Existujú aj snahy liečiť Downov syndróm umlčaním extra chromozómu. Ak je však jeho veľkosť rovnako dôležitá ako jeho aktivita, tieto snahy nemusia byť úspešné.
„Je to do istej miery vedecké odhalenie, že všetky tieto zmeny, ktoré ľudia pozorovali, môžu byť spôsobené týmito rozsiahlymi chromozómovými asociáciami,“ povedal Link – za predpokladu, že sa tento model osvedčí. Keď Linkova skupina porovnala profily expresie génov, ktoré zistila, s profilmi, ktoré našli iné skupiny u ľudí s Downovým syndrómom, modely boli naozaj odlišné. „Takže je to dobrá práca, ale treba ju zopakovať u väčšieho počtu ľudí, aby sme zistili, či je to naozaj všeobecný jav,“ povedal.
Hoci je Link skeptický, vidí, prečo je toto vysvetlenie také lákavé; spája toľko línií poznatkov z celej biológie. Senescencia a chronický zápal, ktorý spôsobuje, je charakteristickým znakom starnutia. Zápal sa ponúka aj ako vysvetlenie odumierania neurónov pozorovaného v mozgu pri Alzheimerovej chorobe. Ľudia s Downovým syndrómom starnú rýchlejšie ako ostatní ľudia a Alzheimerova choroba sa u nich vyskytuje oveľa častejšie. Majú tiež oslabený imunitný systém, čo môže ich telu sťažovať odstraňovanie starnúcich buniek. Štúdie neustále dokazujú, že ľudia s Downovým syndrómom majú viac starnúcich buniek ako ostatní ľudia. „Takže to všetko do seba tak trochu zapadá,“ povedal Link.
Nový výskum však v mnohých ohľadoch vyvoláva rovnako veľa otázok ako odpovedí. Keď Meharena a jeho spolupracovníci zopakovali všetky svoje analýzy s kmeňovými bunkami, ktoré použili na vytvorenie neurálnych progenitorových buniek, všetky pozorované sťahy a genetický chaos zmizli. „Nech už sa deje akékoľvek narušenie, nastupuje v stave neurálneho progenitora,“ povedal.
Prečo sú teda neurónové progenitorové bunky také citlivé na tento extra chromozóm, keď kmeňové bunky nie sú? Čo ich robí takými výnimočnými? A čo iné tkanivá, napríklad tie v srdci? Sú tiež zraniteľné voči tejto jadrovej reorganizácii? To sú otázky, ktoré Meharena teraz skúma vo svojom vlastnom laboratóriu na univerzite v San Diegu.
„Ak sa nám podarí zistiť, prečo sa zdá, že kmeňové bunky sú schopné včleniť dodatočný chromozóm bez väčších problémov, možno to budeme môcť využiť pri terapeutických zásahoch,“ povedal. „Prinajmenšom dúfame, že nám to otvorí nové možnosti, ako sa pozerať na Downov syndróm – zdá sa, že existuje úplne iný prvok, ktorý sa odohráva na inej časovej osi a ktorý naozaj musíme viac preskúmať.“