Genetický rizikový faktor APOE4 a změny v hipokampu
Alela APOE4, spojená s rizikem Alzheimerovy choroby, způsobuje, že neurony v hipokampu myší jsou menší a vykazují hyperexcitabilitu. Tento jev, který připomíná epilepsii a zrychlené stárnutí, bylo možné zmírnit manipulací s jedním neuronálním proteinem.
Před nástupem symptomů
Alzheimerova choroba se rozvíjí dlouho předtím, než se objeví viditelné symptomy, a probíhá tiše po desetiletí. Nejsilnějším genetickým rizikovým faktorem pro běžnou formu Alzheimerovy choroby s pozdním nástupem je varianta ε4 genu apolipoproteinu (APOE), označovaná jako APOE4. Přítomnost jedné kopie této varianty zhruba trojnásobně zvyšuje riziko Alzheimerovy choroby; dvě kopie riziko zvyšují přibližně dvanáctkrát.
Je známo, že roky před nástupem zjevných symptomů se centrum učení a paměti v mozku, hipokampus, stává abnormálně hyperaktivním. Tato hyperexcitabilita se projevuje jako interiktální hroty (IIS): krátké, spontánní záblesky synchronizovaného neuronálního vybíjení, které jsou podobné jevům pozorovaným u epilepsie. Tyto hroty jsou běžné v preklinických a časných fázích Alzheimerovy choroby a jejich frekvence predikuje rychlost kognitivního poklesu. Mladí nositelé alely APOE4, kteří jsou kognitivně normální, vykazují hyperaktivaci hipokampu, a alela APOE4 je spojena s vyšším rizikem epilepsie a jejím dřívějším nástupem.
Mechanismy stojící za touto hyperexcitabilitou hipokampu související s APOE4 však byly dosud převážně neznámé. Nová studie z Gladstone Institutes, publikovaná v časopise Nature Aging, si kladla za cíl tyto mezery ve znalostech zaplnit.
Zjištění o funkci neuronů
Autoři studie analyzovali in vivo záznamy lokálního potenciálu pole (LFP), což jsou elektrické signály zaznamenané z mozkových sond implantovaných do volně se pohybujících myší. Tyto myši měly vnesené (knocked-in) jednu ze dvou lidských alel APOE: APOE4 (E4-KI) nebo variantu APOE3 (E3-KI), která je méně spojena s Alzheimerovou chorobou. Data byla sbírána v mladém věku (5-10 měsíců) a ve stáří (12-18 měsíců).
Mladé myši E4-KI vykazovaly zvýšenou frekvenci interiktálních hrotů (IIS) v některých oblastech hipokampu (konkrétně v CA3 a gyrus dentatus, nikoli však v CA1) ve srovnání se stejně starými zvířaty E3-KI. Stárnoucí myši E3-KI rovněž vykazovaly určitý nárůst frekvence IIS, což naznačuje, že tento specifický rys Alzheimerovy choroby připomíná zrychlené stárnutí.
Následně byla kohorta myší E3-KI a E4-KI podrobena záznamům LFP v mladém věku a byla testována standardním Morrisovým vodním bludišťovým testem v mladém i starém věku. Cílem bylo zjistit, zda časné frekvence IIS korelují s pozdějšími výsledky učení u stejných jedinců. Mladé myši E4-KI v testu vodního bludiště podávaly normální výkon, ale ve věku 14 měsíců u stejných zvířat došlo k významným deficitům v prostorovém učení. Časné frekvence IIS u mladých myší E4-KI významně predikovaly, jak špatně tyto myši podají výkon v testu vodního bludiště ve stáří, zatímco u myší E3-KI taková korelace neexistovala.
„Podle našich nejlepších znalostí je toto první studie, která přímo zkoumala, jak APOE4 ovlivňuje funkci neuronů v různých věkových kategoriích,“ uvedl Misha Zilberter, Ph.D., hlavní výzkumný pracovník v Gladstone Institutes a seniorní autor studie. „Zjistili jsme zásadní změny v mozkových okruzích u mladých myší, které měly stále normální učení a paměť, a co je důležité, tyto změny predikovaly rozvoj kognitivních deficitů ve vyšším věku.“
Pomocí záznamů metodou whole-cell patch-clamp, kdy je na buňku připevněna malá skleněná pipeta, vědci přesně změřili elektrické vlastnosti jednotlivých neuronů. Pyramidové neurony CA3 u mladých myší E4-KI se ukázaly být hyperexcitabilní ve srovnání se zvířaty E3-KI. Neurony E4-KI byly také menší, což, jak se zdálo, přímo přispívalo k jejich hyperexcitabilitě. Ve stáří se i buňky CA3 u myší E3-KI staly menšími a excitabilnějšími, čímž se eliminovaly rozdíly mezi genotypy a opět se naznačilo zrychlené stárnutí. V pyramidových neuronech CA1 nebyly zjištěny žádné významné rozdíly mezi genotypy v žádném věku, což potvrdilo regionálně specifickou povahu tohoto jevu.
APOE je v mozku produkován převážně astrocyty, ačkoli ho mohou tvořit i stresované neurony. K určení, který buněčný zdroj fenotyp pohání, autoři použili myši E4-KI, u nichž byl gen APOE4 deleován buď z astrocytů, nebo z neuronů. Odstranění APOE4 z neuronů zcela napravilo všechny morfologické a elektrické abnormality v pyramidových neuronech CA3, zatímco odstranění APOE4 z astrocytů nemělo žádný účinek. Výzkumníci identifikovali dvě robustní neuronální shluky: jeden charakterizovaný menší velikostí a vyšší excitabilitou (tzv. „hyperexcitabilní“ shluk) a jeden s normálními vlastnostmi. Mladé myši E4-KI měly významně více neuronů v hyperexcitabilním shluku a stárnutí posunulo neurony E3-KI do tohoto shluku. Delece APOE4 v neuronech snížila počet neuronů v hyperexcitabilním shluku zpět na úroveň pozorovanou u myší E3-KI.
Identifikace cíle pro intervenci
Sekvenování RNA z jednotlivých jader identifikovalo několik genů, které byly odlišně exprimovány mezi myšmi E4-KI a E3-KI. Zvláštní pozornost získal protein podobný neurálnímu epidermálnímu růstovému faktoru 2 (Nell2). Autoři poté použili interferenční techniku nazvanou CRISPRi k snížení exprese Nell2, což vedlo ke snížené excitabilitě a větší velikosti buněk.
„Tato studie představuje významné zjištění pro oblast výzkumu Alzheimerovy choroby,“ uvedl Yadong Huang, MD, Ph.D., zástupce ředitele Gladstone Institute of Neurological Disease a seniorní autor studie. „Důležité na Nell2 je, že jsme byli schopni zvrátit projevy onemocnění u dospělých myší snížením jeho hladiny. To naznačuje, že poškození není nezvratné a že může existovat okno pro intervenci i poté, co byly spuštěny chorobné procesy.“
Ačkoli jsou tato zjištění povzbudivá, stále není jasné, jak přesně Nell2 funguje, ani zda by manipulace s ním vedla ke snížení síťové hyperexcitability in vivo nebo ke zlepšení učení a paměti. Nastavení takového experimentu je komplexní úkol, který bude pravděpodobně řešen v samostatné navazující studii.
Literatura
[1] Tabuena, D. R., Jang, S. S., Grone, B., Yip, O., Aery Jones, E. A., Blumenfeld, J., … & Zilberter, M. (2026). Neuronal APOE4-induced early hippocampal network hyperexcitability in Alzheimer’s disease pathogenesis Nature Aging, 1-19.
[2] Putcha, D., Brickhouse, M., O’Keefe, K., Sullivan, C., Rentz, D., Marshall, G., … & Sperling, R. (2011). Hippocampal hyperactivation associated with cortical thinning in Alzheimer’s disease signature regions in non-demented elderly adults. Journal of Neuroscience, 31(48), 17680-17688.
[3] Vossel, K. A., Tartaglia, M. C., Nygaard, H. B., Zeman, A. Z., & Miller, B. L. (2017). Epileptic activity in Alzheimer’s disease: causes and clinical relevance. The Lancet Neurology, 16(4), 311-322.
[4] Briellmann, R. S., Torn–Broers, Y., Busuttil, B. E., Major, B. J., Kalnins, R. M., Olsen, M., … & Berkovic, S. F. (2000). APOE ε4 genotype is associated with an earlier onset of chronic temporal lobe epilepsy. Neurology, 55(3), 435-437.