Учёные обнаруживают значительные изменения в мозге в возрасте от 50 до 75 лет

Исследователи обнаружили, что человеческий мозг начинает претерпевать широкие изменения в способе регуляции своего генома, начиная со среднего возраста. Результаты могут помочь объяснить, почему возраст является наиболее сильным фактором риска нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, учёные использовали передовые методы анализа отдельных клеток для изучения регуляции генов и трёхмерной организации генома в отдельных клетках гиппокампа человека, части мозга, необходимой для обучения и памяти. Анализируя образцы от взрослых людей различного возраста, исследовательская группа создала одну из самых подробных картин того, как регуляция генома изменяется с возрастом мозга.

Одним из наиболее заметных изменений стали изменения в микроглии, иммунных клетках, которые помогают поддерживать и защищать мозг. Между примерно 50 и 75 годами исследователи обнаружили резкое снижение количества микроглии, которая возникает во время эмбрионального развития. В то же время эти клетки всё чаще заменялись клетками, молекулярные характеристики которых напоминали иммунные клетки, обнаруженные в крови.

Этот результат ставит под сомнение давно существующее предположение о том, что микроглия, установленная в начале развития, остаётся в мозге в течение всей жизни человека. Заменяющие клетки, похожие на микроглию, также показали более сильные воспалительные сигнатуры, что повышает вероятность того, что они могут способствовать хроническому воспалению в стареющем мозге.

Исследователи также обнаружили существенное снижение популяций клеток, которые помогают поддерживать гематоэнцефалический барьер. Этот защитный барьер помогает защитить мозг от потенциально вредных веществ, циркулирующих в кровотоке.

«Микроглия критически важна для поддержания гомеостаза мозга, — сказал Бинг Рен, доктор наук, соответствующий автор исследования, научный директор и генеральный директор Нью-йоркского центра геномики, профессор генетики и развития, биохимии и молекулярной биофизики, а также системной биологии в Колумбийском университете и заместитель директора Института Вагелоса по фундаментальным биомедицинским наукам в VP&S, Колумбийский университет. — Когда эти клетки не выполняют свои хозяйственные функции, накапливаются токсичные материалы, которые могут вызвать воспалительные процессы, способствующие нейродегенеративным заболеваниям».

Изменения не ограничивались иммунными клетками. Во многих типах клеток мозга исследователи наблюдали широкую эрозию трёхмерной архитектуры генома.

Внутри клетки ДНК не просто упаковывается случайным образом в ядро. Она складывается в высокоорганизованную трёхмерную структуру, которая помогает контролировать, какие гены включены или выключены. Исследователи обнаружили, что эта организация становилась менее упорядоченной с возрастом, предполагая, что ухудшение структуры генома может быть фундаментальной характеристикой старения мозга.

«Эта работа представляет значительный шаг вперёд в понимании того, как старение перестраивает геном человека в клетках мозга, — сказал Натан Земке, директор по геномике отдельных клеток в Центре эпигеномики Калифорнийского университета в Сан-Диего. — Эти результаты демонстрируют критическую необходимость изучения регуляции генов и организации генома для получения механистического понимания процесса старения».

Результаты исследования предполагают, что старение мозга сложнее, чем простой, устойчивый упадок. Вместо этого множество систем, похоже, изменяются вместе, включая иммунные клетки, кровеносные сосуды, нейроны и организацию генома.

«Что важно, это исследование показывает, что старение — это не просто постепенный упадок, а включает в себя скоординированное и динамическое переустройство иммунных, сосудистых и нейронных систем. Эти результаты открывают дверь к определению новых терапевтических мишеней, направленных на сохранение целостности цепей и функции мозга на протяжении всей жизни, — сказала Сянгмин Сюй, доктор наук, профессор канцлера и директор Центра картирования нейронных цепей Калифорнийского университета в Ирвайне и соответствующий автор исследования.

Исследование является одной из шести работ, опубликованных в журнале Science в рамках программы 4D Nucleome (4DN) Национальных институтов здоровья. Инициатива, продолжающаяся десятилетие, была создана для картирования того, как геном организован в пространстве и как эта организация изменяется с течением времени.

С 2015 по 2025 год программа 4D Nucleome объединила междисциплинарные исследовательские группы со всех Соединённых Штатов для изучения того, как пространственное расположение генома влияет на биологические процессы. Помимо этого исследования, доктор Рен сотрудничал в качестве соответствующего автора или соавтора трёх других статей в журнале Science, посвящённых архитектуре генома в различных типах клеток и временных масштабах.

Вместе исследования создают крупный новый ресурс для исследователей и предоставляют свежие возможности для изучения того, как изменения в организации генома способствуют развитию, старению и заболеваниям, включая нейродегенеративные расстройства.