מה אם ניתן היה לקרוא את תגובת המוח ללחץ לא בפרצי נוירוטרנסמיטר חולפים, אלא בשקט של גנים עמוק בתוך הכרומטין? חוקרים מאוניברסיטת אלבמה בברמינגהם הראו כעת שהורמוני סטרס עשויים להשתיק גנים עצביים חיוניים באמצעות מחלקה בלתי צפויה של מולקולות RNA הפועלות לא על ידי קידוד חלבונים, אלא על ידי עיצוב מחדש של ארכיטקטורת הגנום.
מתח, הגנום ושכבה נסתרת של ויסות.
המחקר, בהובלת פרופסור יוג'ש דויוודי, פרופסור נכבד ואליזבת רידג'לי שווק יו"ר במחלקה לפסיכיאטריה ונוירוביולוגיה התנהגותית, חושף כמה זמן RNAs לא מקודדים (lncRNAs) מתקשרים עם קומפלקס הדיכוי polycomb 2 (PRC2) כדי לשנות את האקטיבציה של הקולטן-GR הרגולטור הראשי של התא לתגובת לחץ.
במילותיו של פרופסור דויוודי:
"התוצאות שלנו מצביעות על מסלול מבני שבאמצעותו הורמוני סטרס משפיעים על ביטוי גנים. ראינו ש-lncRNAs ספציפיים משתפים פעולה עם חלבוני polycomb כדי להשתיק גנים סמוכים, כולל רבים הקשורים לתפקוד סינפטי. זה לא רק רעש תעתיק – זה הארכיטקטורה של הלחץ עצמו".
האתגר המדעי
לחץ הוא גם מסתגל וגם הרסני. כשהוא קצר, הוא מחדד את המיקוד ומגייס אנרגיה. כאשר הוא ממושך, הוא חוט מחדש את המוח, שוחק את החוסן ותורם להפרעות כגון הפרעת דיכאון מג'ורי (MDD). בעוד עשרות שנים של מחקר תיעדו כיצד הורמוני סטרס מפעילים את ציר ההיפותלמוס-יותרת המוח-אדרנל (HPA), מדענים נאבקו לאתר כיצד אותות חולפים אלה משאירים סימנים מולקולריים מתמשכים.
אפיגנטיקה – שינויים תורשתיים בפעילות הגנים ללא שינוי ברצף ה-DNA – הופיעו כחשודים מרכזיים. בפרט, ידוע שהקולטן לגלוקוקורטיקואידים, המתווך את השפעות הקורטיזול, חודר לגרעין ומשפיע על התמלול. אולם כיצד בדיוק הפעלת GR מייצרת דיכוי עמיד של גנים נוירונים נותרה שאלה פתוחה.
האם lncRNAs יכולים להיות המתווכים החסרים? מולקולות אניגמטיות אלו אינן מקודדות לחלבונים אלא נקשרות לקומפלקסים המשתנים כרומטין, ולמעשה מנחות היכן ומתי הגנום נפתח או נסגר.
ניסוי מכניסטי במיניאטורה
כדי לחקור, צוות Dwivedi בנה מודל מבוקר של איתות מתח מתמשך. באמצעות תאי עצב SH-SY5Y, הם הביעו יתר על המידה את גן קולטן הגלוקוקורטיקואידים (NR3C1), והשיגו הפעלה מתמשכת של GR ללא השונות הפרמקולוגית של גירוי הורמונים. מערך זה חיקה את הפעילות הכרונית והבלתי מווסתת של ציר HPA האופיינית להפרעות הקשורות ללחץ.
לאחר מכן החוקרים ביצעו רצף RNA-ספציפי לגדיל (RNA-seq) כדי למפות את הביטוי של יותר מ-12,000 lncRNAs. תחת הפעלת GR, 79 lncRNAs שונו באופן משמעותי (44 הווסתו, 35 הווסתו מטה; p <0.05). כמה מהם הופיעו על כרומוזומים 11 ו-12, אזורים הקשורים בעבר לשינויים תעתיקים הקשורים ללחץ.
לאחר מכן הגיעה בדיקה קריטית: האם RNAs אלה יכולים לקיים אינטראקציה עם מכונות להשתיק כרומטין? באמצעות רצף חיסוני RNA (RIP-seq) באמצעות נוגדנים נגד EZH2, תת-היחידה הקטליטית של PRC2, ו-H3K27me3, סימן היסטון מדכא, הצוות מצא ש-89 lncRNAs הועשרו בשבריר הקשור ל-EZH2 ו-57 בשבריר H3K.
"נראה שה-RNA הללו פועלים כמו מיקודים לדיכוי גנים", אמר ד"ר אנוג' ק. ורמה, המחבר הראשי של המחקר. "הם עוזרים לכוון את קומפלקס הפוליקומב לשכונות כרומטין מדויקות שבהן מתרחשת השתקה הנגרמת על ידי מתח."
ההעשרה הכפולה תומכת מאוד במודל שבו lncRNAs המושרים על ידי GR מגייסים PRC2 למטרה למוקדים, מה שמביא מתילציה של היסטון וכיבוי גנים מקומיים.
משתיקה מולקולרית לתוצאה סינפטית
כאשר הצוות השווה מערכי נתונים של lncRNA ו-mRNA, המתאמים היו בולטים. בכל הגנום, רמות lncRNA עוקבות באופן הפוך עם שעתוק של גנים קרובים (R = -0.21, p <0.005). בתוך תחומי כרומטין מודחקים, קשר זה התחזק (r = –0.071 ו-0.037, p < 0.0001) עבור lncRNAs הקשורים ל-EZH2 ו-H3K27me3, בהתאמה.
גנים מווסתים מטה התקבצו סביב הובלה של שלפוחית סינפטית, ויסות קולטן של נוירוטרנסמיטר ואיתות סידן – אותם תהליכים מופרעים בדיכאון ובמתח כרוני. ניתוחי העשרה תפקודית זיהו איתות סידן (p < 0.01) וביוסינתזה של glycosylphosphatidylinositol-anchor (p < 0.05) כמסלולים מושפעים מובילים, כאשר מיפוי Reactome חושף 33 אשדים שהשתנו, כולל TrkA/TrkB, FGFR-AKT ו-PI3K.
צירי איתות אלה מווסתים את ההתרגשות העצבית ואת שלמות עמוד השדרה הדנדריטי – תכונות שנפגעו ב-MDD. "מה שמופיע הוא הד אפיגנטי של מתח", אמר ד"ר בהסקר רוי, מחבר מחקר. "מנגנון הלחץ של המוח אינו רק מפעיל ומכבה גנים; הוא מגדיר מחדש את נוף הכרומטין שמחליט אילו גנים יכולים לדבר."
הבנת המדע
כדי להמחיש את הממצאים, המחברים מספקים מפות חום, עלילות של הר געש ודיאגרמות "סירקוס" כרומוזומליות הממחישות את התפלגות ה-lncRNAs עם ויסות מעלה ומטה. ניתוח רשת גילה שישה רכזות lncRNA שפועלות כצמתים מרכזיים ברשת התעתיק הנגרמת על ידי מתח. בין אלה, בלטו שלושה – ENSG00000225963.8, ENSG00000228412.9 ו-ENSG00000254211.6 – כל אחד מהם מווסת תחת הפעלת GR והועשר במתחמי EZH2 ו-H3K27me3 כאחד.
RNAs אלה עשויים לשמש כפיגומים מרכזיים הקושרים את PRC2 ללוקוסים המגיבים ללחץ. באופן אנלוגי, אפשר לחשוב עליהם כעל סימניות מולקולריות המוכנסות לגנום בזמן לחץ, ומסמנות אילו דפים לשמור סגורים הרבה אחרי שהגירוי הראשוני חלף.
מגילוי להשפעה
ההשלכות הפוטנציאליות נמתחות הרבה מעבר לצלחת הפטרי. שינויים הנגרמים על ידי מתח במבנה הכרומטין היו מעורבים במגוון מצבים פסיכיאטריים ונוירודגנרטיביים. אם lncRNAs ספציפיים מתווכים את השינויים הללו, הם עלולים להפוך לסמנים ביולוגיים לפגיעות מתח או יעדים עבור תרופות נוגדות דיכאון מהדור הבא שמטרתן להחזיר את גמישות הכרומטין.
תרופות נוגדות דיכאון נוכחיות מווסתות נוירוטרנסמיטורים כגון סרוטונין או נוראדרנלין, אך תחילתה המאוחרת מעידה על אינרציה מולקולרית עמוקה יותר. על ידי זיהוי RNAs שאינם מקודדים המנחים פיזית את דיכוי הכרומטין, מחקר זה מרמז על שכבה אפיגנטית של שליטה שתרופות עשויות יום אחד להתהפך.
האם התערבויות המווסתות את אינטראקציית lncRNA-PRC2 יכולות להעיר מחדש גנים מושתקים המעורבים בנוירופלסטיות? האם שברי RNA במחזור יכולים לשקף את עומס הלחץ של הפרט? שאלות כאלה יכולות לעצב מחדש את האופן שבו הפסיכיאטריה משיגה חוסן – לא רק כהתנהגות התמודדות, אלא כיכולת הסתגלות מולקולרית.
"אם נוכל לזהות אנשים שפרופילי ה-lncRNA שלהם מנבאים תגובות כרומטין לא מסתגלות ללחץ, אולי נוכל להתערב מוקדם יותר", ציין פרופסור דויוודי. "החזון הזה נשאר בעתיד, אבל המחקר הזה מספק את הבסיס המכניסטי."
הצוות מאחורי התגלית
כל המחברים קשורים לבית הספר לרפואה של Heersink, אוניברסיטת אלבמה בבירמינגהם. הפרויקט נתמך על ידי מענקים מרובים מהמכון הלאומי לבריאות הנפש של ארה"ב (R01MH130539, R01MH124248, R01MH118884, R01MH128994, R01MH107183 ו-R56MH138596). הצוות הרב-תחומי שילב מומחיות בפסיכיאטריה, נוירוביולוגיה וגנומיקה חישובית.
מגבלות ואזהרות
החוקרים מכירים בכך שתוצאות אלו נובעות ממודל סלולרי ואין להכליל למוח האנושי ללא אימות נוסף. המתאמים המדווחים הם קשרים סטטיסטיים, לא הדגמות סיבתיות. רווחי סמך לא צוינו בכתב היד של המקור, אם כי סופקו ערכי p. בדיקות פונקציונליות – כגון השתקה או ביטוי יתר של ה-lncRNAs שזוהו בנוירונים – יהיו חיוניות כדי לקבוע סיבתיות.
ובכל זאת, השילוב של המחקר של נתונים ברמת הכרומטין התעתיק, האפיגנומי וכלל הגנום מספק את אחד הקשרים המכניסטיים הברורים ביותר עד כה בין איתות גלוקוקורטיקואידים ודיכוי שעתוק עמיד.
הדרך קדימה
כיוונים עתידיים נובעים באופן טבעי מהנתונים.
- האם lncRNAs אלה יכולים לשמש כסמנים ביולוגיים הניתנים לזיהוי בדם של חשיפה ללחץ כרוני?
- כיצד הם מתנהגים באורגנואידים במוח שמקורם בחולים עם דיכאון?
- האם הפרעה תרופתית של קישור PRC2-lncRNA יכולה להפוך השתקה פתולוגית?
- האם לחץ בתחילת החיים עלול להשאיר "חתימות" RNA עמידות בכרומטין הגורמות נטייה למחלה מאוחרת יותר?
- ובאופן עקרוני, האם מניפולציה של המתווכים המולקולריים הללו יכולה לשפר את עמידות המתח?
מענה על שאלות כאלה יכול למסגר מחדש את החיפוש אחר תרופות נוגדות דיכאון, תוך התמקדות לא רק בסינפסות אלא גם בקוד הכרומטין השולט בהן.
הקשר רחב יותר
בנוף הרחב יותר של המחקר הפסיכיאטרי, העבודה מדגימה כיצד ביולוגיה מולקולרית בסיסית יכולה להאיר את הצל המתמשך של הלחץ. הגילוי של ציר GR-lncRNA-PRC2 מגשר בין שני תחומים – אנדוקרינולוגיה ואפיגנומיה – שהתפתחו באופן היסטורי בנפרד. זה גם מדגיש שהפרעות בבריאות הנפש הן הפרעות של אחסון מידע באותה מידה כמו של רגש או התנהגות.
על ידי שילוב דיוק מולקולרי עם רלוונטיות תרגום, מחקר זה מייצג צעד לקראת הבנה כיצד מתח מעצב מחדש לא רק את מה שאנו מרגישים אלא כיצד הגנום שלנו זוכר.
אמירה מסכמת
מחקר זה שנבדק על ידי עמיתים מייצג התקדמות משמעותית בנוירואפיגנומיקה, ומציע תובנות חדשות לגבי פעילות lncRNA הקשורה לכרומטין באמצעות חקירה ניסויית קפדנית. הממצאים מספקים ראיות קריטיות להבנת ויסות תעתיק מקושר ללחץ באמצעות ציר GR-lncRNA-PRC2. על ידי שימוש בגישת תעתיק אינטגרטיבית ו-RIP-seq, צוות המחקר יצר נתונים שלא רק מקדמים ידע בסיסי אלא גם מציעים יישומים מעשיים בגילוי סמנים ביולוגיים וזיהוי יעדים מכניסטיים. השחזור והאימות של ממצאים אלה באמצעות תהליך ביקורת עמיתים מבטיחים את מהימנותם וממצבים אותם כבסיס לחקירות עתידיות. עבודה זו מדגימה כיצד מחקר חדשני יכול לגשר על הפער בין מדע בסיסי ליישומים תרגום, שעלול להשפיע על מטופלים, קלינאים וחוקרים בשנים הקרובות.
מחקר פורץ דרך זה שנבדק על ידי עמיתים נבחר כמאמר השער עבור פסיכיאטריה גנומיתהמשקף את משמעותו לתחום הגנומיקה הפסיכיאטרית. המחקר מלווה במאמר מערכת שחיבר ד"ר. חוליו ליצ'יניו ומ-לי וונג, המקשרים את הממצאים הללו בנוף הרחב יותר של ביולוגיה של לחץ ומחקר פסיכיאטרי. מאמר המערכת מדגיש כיצד עבודה זו מאירה מנגנונים קריטיים המקשרים מתח סביבתי לשינויים מתמשכים בדפוסי ביטוי גנים באמצעות שינויים בכרומטין בתיווך lncRNA.
האופי המקיף של חקירה זו, המתפרש על פני מספר שיטות ריצוף RNA וניתוחי רשת, מספק תובנות שיעצבו מחדש את האופן שבו התחום ניגש לוויסות כרומטין בתיווך lncRNA בהקשרי מתח. יתר על כן, שיתוף הפעולה הבינתחומי בין פסיכיאטריה מולקולרית וביולוגיה של כרומטין מדגים את הכוח של שילוב מומחיות מגוונת להתמודדות עם שאלות מדעיות מורכבות.
