Μπορούν ορισμένες αλλαγές του Kleefstra να είναι αναστρέψιμες; Τι έδειξε μελέτη σε μοντέλο ποντικού

Μπορούν ορισμένες από τις αλλαγές που προκαλεί η ανεπάρκεια του EHMT1 στον εγκέφαλο να διορθωθούν ακόμη και μετά τη γέννηση;

Αυτό ήταν το βασικό ερώτημα μιας σημαντικής πειραματικής μελέτης που δημοσιεύθηκε στο iScience και χρησιμοποίησε ένα γενετικά τροποποιημένο μοντέλο ποντικού με ανεπάρκεια του Ehmt1, το γονίδιο που σχετίζεται με το Σύνδρομο Kleefstra.

Η εργασία με τίτλο Derepression of inflammation-related genes link to microglia activation and neural maturation defect in a mouse model of Kleefstra syndrome αποκάλυψε έναν πιθανό σύνδεσμο ανάμεσα στην ανεπάρκεια του EHMT1, την επιγενετική ρύθμιση, την ενεργοποίηση φλεγμονωδών γονιδίων, τη μικρογλοία και την ωρίμανση των νευρώνων.

Το πιο ενδιαφέρον όμως ήταν ένα δεύτερο εύρημα. Οι ερευνητές έδειξαν ότι ορισμένες από αυτές τις βιολογικές ανωμαλίες μπορούσαν να αντιστραφούν όταν αποκαθιστούσαν πειραματικά την έκφραση του EHMT1/GLP μετά τη γέννηση. Όταν η αποκατάσταση γινόταν ευρύτερα και από σχετικά νεαρή ηλικία, βελτιώνονταν ακόμη και ορισμένες μη φυσιολογικές συμπεριφορές των ποντικών.

Αυτό δεν σημαίνει ότι έχει βρεθεί θεραπεία για το Kleefstra. Η μελέτη έγινε σε ποντίκια και η «αποκατάσταση» του EHMT1 πραγματοποιήθηκε μέσω ειδικού γενετικού εργαστηριακού συστήματος.

Αποτελεί όμως σημαντική απόδειξη ότι ορισμένες συνέπειες της ανεπάρκειας του EHMT1 δεν είναι απαραίτητα αμετάβλητες μετά τη γέννηση.

Τι κάνει το EHMT1

Το EHMT1 κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη που ονομάζεται GLP, η οποία συνεργάζεται με την G9a και συμμετέχει στην επιγενετική ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης.

Ένας από τους βασικούς μηχανισμούς της είναι η δημιουργία μιας τροποποίησης στις ιστόνες που ονομάζεται H3K9me2.

Οι ιστόνες είναι πρωτεΐνες γύρω από τις οποίες οργανώνεται το DNA. Οι χημικές τροποποιήσεις τους μπορούν να επηρεάζουν το πόσο εύκολα ενεργοποιούνται ή καταστέλλονται συγκεκριμένα γονίδια.

Το EHMT1 επομένως δεν ελέγχει μόνο ένα μεμονωμένο γονίδιο. Συμμετέχει στη ρύθμιση πολλών γονιδίων ταυτόχρονα, κάτι που βοηθά να εξηγηθεί γιατί η απώλεια της μίας λειτουργικής κόπιας του μπορεί να επηρεάζει πολλές διαφορετικές διαδικασίες της νευροανάπτυξης.

Στους ποντικούς με ανεπάρκεια Ehmt1, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι η ποσότητα της GLP ήταν μειωμένη και ότι τα επίπεδα H3K9me2 στον εγκέφαλο ήταν περίπου στο 70% των φυσιολογικών επιπέδων.

Ένα μοντέλο ποντικού για το Σύνδρομο Kleefstra

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ποντίκια Ehmt1Δ/+, τα οποία διαθέτουν μόνο μία λειτουργική κόπια του Ehmt1.

Τα ζώα αυτά παρουσιάζουν ορισμένα χαρακτηριστικά που χρησιμοποιούνται ως εργαστηριακά αντίστοιχα πτυχών του ανθρώπινου Kleefstra, όπως μειωμένη εξερευνητική δραστηριότητα και αυξημένες συμπεριφορές που ερμηνεύονται ως σχετιζόμενες με άγχος.

Φυσικά, ένα ποντίκι δεν μπορεί να αναπαράγει το πλήρες ανθρώπινο Σύνδρομο Kleefstra.

Το μοντέλο όμως επιτρέπει στους ερευνητές να κάνουν ένα πείραμα που δεν θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί σε ανθρώπους. Να ενεργοποιήσουν ξανά το Ehmt1 σε συγκεκριμένο χρόνο και σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων και να εξετάσουν ποια χαρακτηριστικά μπορούν να διορθωθούν και ποια όχι.

Τι σημαίνει «αποκατέστησαν το EHMT1»

Είναι σημαντικό να διευκρινιστεί τι ακριβώς έκαναν οι ερευνητές.

Δεν χορήγησαν στα ποντίκια κάποιο φάρμακο EHMT1 ούτε έκαναν μια θεραπεία που είναι σήμερα διαθέσιμη για ανθρώπους.

Δημιούργησαν ένα ειδικό γενετικά τροποποιημένο σύστημα, στο οποίο μπορούσαν να ενεργοποιήσουν πειραματικά την παραγωγή της GLP, της πρωτεΐνης που κωδικοποιείται από το Ehmt1.

Με αυτόν τον τρόπο μπορούσαν να εξετάσουν εάν η επαναφορά επαρκούς GLP σε διαφορετικά στάδια της ανάπτυξης μπορούσε να διορθώσει ορισμένες από τις συνέπειες της ανεπάρκειας του Ehmt1.

Η αποκατάσταση από τη νεαρή ηλικία βελτίωσε ορισμένες συμπεριφορές

Σε ένα από τα σημαντικότερα πειράματα, οι ερευνητές ενεργοποίησαν την GLP ευρέως στον οργανισμό μετά τη γέννηση, όταν τα ποντίκια ήταν περίπου 3 έως 4 εβδομάδων.

Η αποκατάσταση αυτή επανέφερε τα επίπεδα H3K9me2 και οδήγησε σε βελτίωση ορισμένων από τις μη φυσιολογικές συμπεριφορές που παρουσίαζαν τα ποντίκια με ανεπάρκεια Ehmt1.

Το αποτέλεσμα είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον γιατί δείχνει ότι, τουλάχιστον στο συγκεκριμένο ζωικό μοντέλο, η δυνατότητα παρέμβασης δεν περιορίζεται αποκλειστικά στην εμβρυϊκή ανάπτυξη.

Κάποιες λειτουργίες του εγκεφάλου εξακολουθούσαν να μπορούν να επηρεαστούν όταν το Ehmt1 αποκαθίστατο σε μεταγεννητικό στάδιο.

Όμως η ιστορία ήταν πιο σύνθετη όταν οι ερευνητές αποκατέστησαν την GLP μόνο στους νευρώνες.

Η αποκατάσταση μόνο στους νευρώνες δεν ήταν αρκετή για τη συμπεριφορά

Οι ερευνητές πραγματοποίησαν ένα δεύτερο πείραμα στο οποίο ενεργοποίησαν την παραγωγή GLP ειδικά στους νευρώνες του πρόσθιου εγκεφάλου, και πάλι μετά τη γέννηση.

Η παρέμβαση αυτή είχε σαφή βιολογικά αποτελέσματα.

Τα μειωμένα επίπεδα H3K9me2 στους νευρώνες επανήλθαν σχεδόν στα φυσιολογικά επίπεδα. Αποκαταστάθηκε επίσης ο μειωμένος αριθμός των δενδριτικών ακανθών και μειώθηκε η μη φυσιολογική ενεργοποίηση της μικρογλοίας.

Όμως οι μη φυσιολογικές συμπεριφορές των ζώων δεν βελτιώθηκαν.

Ακόμη και όταν οι ερευνητές περίμεναν περισσότερο χρόνο μετά την ενεργοποίηση του Ehmt1, η μειωμένη δραστηριότητα και η αυξημένη συμπεριφορά άγχους παρέμεναν.

Αυτό είναι ένα από τα σημαντικότερα συμπεράσματα της εργασίας.

Η αποκατάσταση του EHMT1 μόνο σε έναν συγκεκριμένο πληθυσμό νευρώνων μπορεί να διορθώνει ορισμένα μοριακά και κυτταρικά χαρακτηριστικά, αλλά δεν αρκεί απαραίτητα για να αποκαταστήσει μια σύνθετη λειτουργία όπως η συμπεριφορά.

Πιθανότατα εμπλέκονται περισσότεροι τύποι κυττάρων, περισσότερες περιοχές του εγκεφάλου και διαφορετικές αναπτυξιακές περίοδοι.

Ένα απρόσμενο εύρημα, η μικρογλοία

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα αποτελέσματα της μελέτης αφορούσε τη μικρογλοία.

Η μικρογλοία αποτελεί ουσιαστικά το κύριο ανοσολογικό σύστημα του εγκεφάλου. Τα κύτταρά της δεν ενεργοποιούνται μόνο σε λοιμώξεις ή τραυματισμούς. Συμμετέχουν επίσης στη φυσιολογική ανάπτυξη του εγκεφάλου και στην αναδιαμόρφωση των συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων.

Στα ποντίκια με ανεπάρκεια Ehmt1, οι ερευνητές παρατήρησαν αύξηση της ενεργοποιημένης μικρογλοίας.

Παράλληλα, η ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης έδειξε αυξημένη ενεργοποίηση γονιδίων που σχετίζονται με την ανοσολογική και φλεγμονώδη απόκριση.

Το ενδιαφέρον είναι ότι το πρόβλημα δεν φαινόταν να ξεκινά απαραίτητα από την ίδια τη μικρογλοία.

Οι νευρώνες με ανεπάρκεια Ehmt1 παρουσίαζαν αυξημένη έκφραση φλεγμονωδών γονιδίων, κάτι που πιθανώς επηρέαζε στη συνέχεια τη συμπεριφορά των μικρογλοιακών κυττάρων.

Ο ρόλος της IL-1β

Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν ιδιαίτερα σε μια φλεγμονώδη κυτταροκίνη που ονομάζεται IL-1β, η οποία κωδικοποιείται από το γονίδιο Il1b.

Η οδός αυτή φαινόταν να είναι αυξημένα ενεργή στο μοντέλο Kleefstra.

Για να εξετάσουν αν η IL-1β συμμετείχε πραγματικά στον μηχανισμό και δεν ήταν απλώς ένα παράλληλο εύρημα, οι ερευνητές πραγματοποίησαν ένα επιπλέον γενετικό πείραμα.

Όταν απενεργοποίησαν το Il1b στα ποντίκια με ανεπάρκεια Ehmt1, διορθώθηκε η αύξηση της μικρογλοίας και η μεταβολή στον αριθμό των δενδριτικών ακανθών.

Το αποτέλεσμα αυτό υποδεικνύει ότι η φλεγμονώδης οδός της IL-1β μπορεί να συμμετέχει σε ορισμένες από τις νευρωνικές αλλαγές που προκαλεί η ανεπάρκεια του Ehmt1 στο συγκεκριμένο μοντέλο.

Τι είναι οι δενδριτικές άκανθες και γιατί μας ενδιαφέρουν

Οι δενδριτικές άκανθες είναι μικροσκοπικές προεκτάσεις πάνω στους δενδρίτες των νευρώνων.

Σε πολλές από αυτές σχηματίζονται οι συνάψεις, δηλαδή τα σημεία μέσω των οποίων οι νευρώνες επικοινωνούν μεταξύ τους.

Ο αριθμός, η μορφή και η ωρίμανσή τους μεταβάλλονται κατά την ανάπτυξη του εγκεφάλου και συνδέονται με τη δημιουργία και αναδιοργάνωση των νευρωνικών δικτύων.

Στα ποντίκια με ανεπάρκεια Ehmt1, οι ερευνητές βρήκαν μειωμένο αριθμό και διαταραχές στην ωρίμανση των δενδριτικών ακανθών.

Η μεταγεννητική αποκατάσταση της GLP μόνο στους νευρώνες μπόρεσε να επαναφέρει τον συνολικό αριθμό των ακανθών, αλλά δεν αποκατέστησε πλήρως τη μορφολογική τους ωρίμανση.

Και αυτό δείχνει ξανά ότι η «αναστροφή» δεν ήταν πλήρης.

Ορισμένες διαδικασίες παρέμεναν πλαστικές μετά τη γέννηση, ενώ άλλες φαίνεται να εξαρτώνται περισσότερο από το πότε πραγματοποιείται η παρέμβαση.

Από το EHMT1 στη φλεγμονώδη γονιδιακή έκφραση

Η μελέτη προτείνει έναν πιθανό μηχανισμό που συνδέει τα διαφορετικά ευρήματα.

Όταν υπάρχει μόνο μία λειτουργική κόπια του Ehmt1, μειώνεται η δραστηριότητα του συμπλέγματος G9a/GLP και μαζί της μειώνεται η επιγενετική τροποποίηση H3K9me2.

Ορισμένες περιοχές του γονιδιώματος που φυσιολογικά καταστέλλονται μπορεί έτσι να γίνουν περισσότερο ενεργές.

Μεταξύ των γονιδίων που βρέθηκαν αυξημένα ήταν γονίδια που σχετίζονται με φλεγμονώδεις και ανοσολογικές οδούς, όπως το Casp1 και το Il1b.

Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε αυξημένη σηματοδότηση φλεγμονής, ενεργοποίηση της μικρογλοίας και στη συνέχεια σε αλλαγές στη διαμόρφωση των νευρωνικών συνδέσεων.

Πρόκειται για έναν πιθανό μηχανισμό που προέκυψε από το ζωικό μοντέλο και όχι για αποδεδειγμένη αλυσίδα γεγονότων στον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Αυτό σημαίνει ότι το Kleefstra είναι «φλεγμονώδης νόσος»;

Όχι.

Η συγκεκριμένη μελέτη δεν αποδεικνύει ότι τα άτομα με Σύνδρομο Kleefstra έχουν γενικευμένη φλεγμονή ούτε ότι η αντιμετώπιση της φλεγμονής αποτελεί θεραπεία για το σύνδρομο.

Οι συγγραφείς αναγνωρίζουν ρητά ως περιορισμό ότι δεν γνωρίζουμε αν τα ίδια φλεγμονώδη γονίδια είναι αυξημένα στους νευρώνες ανθρώπων με Kleefstra.

Επομένως, τα αποτελέσματα δεν αποτελούν λόγο για χρήση αντιφλεγμονωδών φαρμάκων, συμπληρωμάτων ή άλλων παρεμβάσεων σε άτομα με Kleefstra.

Το εύρημα έχει προς το παρόν κυρίως μηχανιστική και ερευνητική σημασία.

Ανοίγει έναν νέο δρόμο για να εξεταστεί αν η αλληλεπίδραση μεταξύ EHMT1, νευρώνων, μικρογλοίας και φλεγμονωδών μονοπατιών συμμετέχει πράγματι στη βιολογία του συνδρόμου.

Το πιο σημαντικό εύρημα, ο εγκέφαλος διατηρούσε έναν βαθμό αναστρεψιμότητας

Ίσως το σημαντικότερο αποτέλεσμα της εργασίας δεν είναι η μικρογλοία ή η IL-1β μεμονωμένα.

Είναι το γεγονός ότι ορισμένες μοριακές και κυτταρικές ανωμαλίες που είχαν ήδη δημιουργηθεί μπορούσαν να διορθωθούν όταν αποκαταστάθηκε η GLP μετά τη γέννηση.

Η H3K9me2 μπορούσε να επανέλθει ακόμη και σε ώριμους, μεταμιτωτικούς νευρώνες.

Ο αριθμός των δενδριτικών ακανθών μπορούσε επίσης να αποκατασταθεί.

Η αυξημένη παρουσία και ενεργοποίηση της μικρογλοίας μπορούσε να αντιστραφεί.

Και όταν η αποκατάσταση της GLP γινόταν ευρύτερα στον οργανισμό από τη νεαρή ηλικία, μπορούσαν να βελτιωθούν και ορισμένες συμπεριφορικές ανωμαλίες.

Αυτό αποτελεί μια σημαντική ένδειξη βιολογικής πλαστικότητας.

Αλλά η χρονική στιγμή φαίνεται να έχει σημασία

Ταυτόχρονα, η μελέτη δείχνει ότι δεν είναι όλα εξίσου εύκολα αναστρέψιμα.

Η αποκατάσταση της GLP αποκλειστικά στους νευρώνες μετά τη γέννηση διόρθωσε πολλούς μοριακούς και κυτταρικούς δείκτες, αλλά δεν ήταν αρκετή για να βελτιώσει τις σύνθετες συμπεριφορές των ποντικών.

Οι συγγραφείς καταλήγουν ότι ορισμένα χαρακτηριστικά είναι αναστρέψιμα, ενώ η δυνατότητα βελτίωσης άλλων εξαρτάται από το πότε γίνεται η αποκατάσταση και από το πόσο ευρεία είναι.

Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για τη μελλοντική θεραπευτική έρευνα.

Εάν κάποτε αναπτυχθούν τεχνολογίες που μπορούν να αυξήσουν τη λειτουργία του EHMT1 ή να διορθώσουν τις συνέπειες της ανεπάρκειάς του, θα πρέπει να διερευνηθεί όχι μόνο αν λειτουργούν, αλλά και πότε πρέπει να εφαρμοστούν και σε ποιους τύπους κυττάρων.

Δεν πρόκειται για θεραπεία που μπορεί να μεταφερθεί σήμερα στον άνθρωπο

Η μελέτη χρειάζεται ιδιαίτερα προσεκτική ερμηνεία.

Πραγματοποιήθηκε σε γενετικά τροποποιημένα ποντίκια και όχι σε ανθρώπους.

Η επαναφορά της GLP έγινε μέσω ενός ειδικά σχεδιασμένου διαγονιδιακού συστήματος. Δεν επρόκειτο για φάρμακο, γονιδιακή θεραπεία ή άλλη παρέμβαση που μπορεί σήμερα να εφαρμοστεί σε άτομα με Kleefstra.

Επίσης, ένα ζωικό μοντέλο αναπαράγει μόνο ορισμένες πτυχές ενός σύνθετου ανθρώπινου νευροαναπτυξιακού συνδρόμου.

Οι ίδιοι οι συγγραφείς τονίζουν ότι δεν γνωρίζουμε ακόμη κατά πόσο τα ευρήματα μπορούν να μεταφερθούν στο ανθρώπινο Kleefstra.

Επομένως, η μελέτη δεν δείχνει ότι τα συμπτώματα του Συνδρόμου Kleefstra μπορούν σήμερα να αντιστραφούν. Δείχνει ότι στο συγκεκριμένο μοντέλο ποντικού ορισμένες συνέπειες της ανεπάρκειας του Ehmt1 παρέμειναν βιολογικά αναστρέψιμες ακόμη και μετά τη γέννηση.