$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и связанные с ними экспериментальные парадигмы
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки стали мощной системой для моделирования NDD. Действительно, многие процессы развития происходят в моделях iPSC, которые схожи с теми, что наблюдаются при развитии мозга человека, но не происходят в процессе развития мозгагрызунов 15. Поэтому исследователи связали модели стволовых клеток, включая двумерные культуры, органоиды и ассемблоиды, с другими экспериментальными методами для лучшего понимания механизмов заболеваний вNDDs 11,13,14,16.
Недавно ассемблоиды были использованы для моделирования ключевой особенности синдрома Дауна (ДС) — нарушения нейрогенеза во время развитияплода 16. С помощью DS hiPSC и изогенных эуплоидных hiPSC был индуцирован нейрогенез, за которым последовала дифференцировка в нейроны. Через 85 дней для наблюдения клеточный цикл использовались иммуноцитохимия и визуализация. Они обнаружили, что нейронные прогениторные клетки DS не выходят из клеточного цикла и не могут дифференцироваться в зрелые нейроны, а также обнаружили, что дефекты клеточного цикла изменяют нейрогенную фазу, вызывая нарушение нейрогенеза при DS16.
Хотя многие модели стволовых клеток сосредоточены на нейронах, другие типы клеток, включая глиальные, играют важную роль в патологииNDD 17. Недавний доклад был посвящён роли глиогенеза и астроцитов при синдроме хрупкого X (FXS). С помощью hiPSC клетки-предшественники астроцитов были культивированы и дифференцированы в специфические для переднего мозга астроциты, не имевшие хрупкого рибонуклеарного белкаX messenger 11. Они обнаружили, что у этих астроцитов нарушен гликолитический и митохондриальный метаболизм. Предыдущие исследования той же команды также показали, что правильная функция митохондрий необходима для контроля активного потенциала действия в нейронах, полученных у пациентов сFXS 11,18. Хотя требуется больше работы для понимания механизма изменения метаболизма астроцитов и активации нейронов при FXS, эти исследования показывают, что астроциты могут одновременно стимулировать патологию заболеваний и быть терапевтической целью.
Редактирование генома
Франсиско Мохика заложил основы редактирования генома, открыв CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) — адаптивную иммунную систему для прокариот, в начале1990-х годов. Основываясь на этом, Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье стали пионерами метода CRISPR/Cas9, который использует CRISPR в сочетании с эндонуклеазой Cas9 для селективного выделения и изменениягенов 20. Вскоре после публикации первых исследований редактирования генов CRISPR/Cas9 исследователи начали манипулировать системой CRISPR/Cas для выявления новой геномной информации или уникального изменения генов. Один из новых методов — CRISPRi, способ заглушить интересующийген 21,22. Использование каталитически неактивной нуклеазы Cas9 в сочетании с cr- и tracr-РНК блокирует доступ РНК-полимеразы к промотору, что отключает экспрессию генов для конкретного гена или наборагенов 22,23. Скрининги CRISPRi использовались для выявления нескольких генов риска для NDD, а также для выявления функциональных изменений, связанных с потерей функции в этих генах. Например, недавний скрининг CRISPRi у ассемблоидов, полученных на iPSC, проанализировал 425 генов NDD на их влияние на развитие интернейронов и показал, что потеря нескольких кандидатных генов влияет на структуру цитоскелета и эндоплазматического ретикула24. Кроме того, скрининг CRISPRi показал, что потеря ADNP — гена риска РАС — приводит к изменениям в микроглиальной обрезкесинапсов 25. Таким образом, скрининги CRISPRi выявили несколько сходящихся и дивергентных механизмов заболеваний при NDD.
Комплементарный к CRISPRi, CRISPRa — это инструмент, используемый для повышения экспрессии генов. Эта техника связывает каталитически неактивный Cas9 с транскрипционными активаторами и нацеливается на направляющую РНК. CRISPRa также использовался для понимания того, как активация генов риска РАС и NDD может изменять фенотипы заболеваний. Хотя существует мало исследований, использующих CRISPRa для спасения фенотипов NDD, CRISPRa может обладать большим терапевтическим потенциалом. Например, недавнее исследование показало, что активация ITGB3 (гаплоиндостаточность которого связана с РАС) восстанавливает функцию сети и фенотипы РАС угрызунов 23. Действительно, многие варианты генов NDD вызывают болезни из-за гаплоиндостаточности, что увеличивает вероятность того, что CRISPRa может быть использован для увеличения экспрессии непоражённого аллеля в модифицирующем болезне.
Редактирование баз и прайм — это точные методы в наборе инструментов CRISPR для редактирования определённых нуклеотидов в геноме. Оба разрезают одну цепь ДНК, а не двойной разрыв (DSB), как CRISPR/Cas910,26. Хотя базовое редактирование более специфичное, чем стандартное редактирование в CRISPR/Cas9, оно менее адаптивно и, следовательно, менее релевантно для перевода, чем основное редактирование. Эффективность редактирования оснований заключается в её способности корректировать точечные мутации, заменяя тимин цитозином или аденином вместо гуанина и наоборот10. Из-за этого редактирование баз ограничено в типах мутаций, которые оно может создавать. Таким образом, хотя это полезно, можно выполнять только переходные мутации, а не вставки илиудаления 10. Однако прайм-редактирование — это высокоадаптивная форма редактирования генома с множеством возможных применений. Прайм-редактирование использует РНК с ведущим редактированием (pegRNA) и никазу Cas9, объединённую с обратной транскриптазой, что способствует вставке, делециям или изменениям в отдельныхнуклеотидах 10. К сожалению, из-за технической сложности и способности к более масштабным генным изменениям, прайм-редактирование может быть менее эффективным, чем редактирование оснований. Поэтому оба метода могут использоваться как дополняющие инструменты и полезны для геномного редактирования при нейроразвитийных расстройствах. Прайм-редактирование уже использовалось для лечения пациента с редким генетическимзаболеванием 27 и показало перспективы в спасении фенотипов заболеваний в модели чередующейся гемиплегии у детей28 лет.
Клеточные и молекулярные анализы
NDD вызываются генетическими вариантами, которые по-разному влияют на функциюклеток 29,30,31. Основной проблемой для изучающих NDD является определение, вызывает ли конкретный вариант пациента вредное функциональное изменение клетки. Поэтому существует большая потребность в анализах, которые могут быстро и точно определить, является ли конкретный генетический вариант вызывающим заболевания или доброкачественным. Перспективным новым анализом является убиквитин расщепляющийанализ 32. Деубиквитилирующие ферменты (DUB) — это группа ферментов, удаляющих убиквитин из белков, предотвращая его разрушение. ДУБ — это как потенциальные методы лечения, так и причины NDD. На сегодняшний день мутации в 12 ДУБ были выявлены как причинно-следственно связанные с НДД, включая синдром Хао-Фаунтена, псевдо-TORCH синдром, синдром микроцефалии-капиллярных мальформаций идругие 5. Чтобы определить, вызывают ли определённые варианты пациентов заболевание, анализы расщепления убиквитина in vitro стали золотым стандартом для измерения ферментативной активности DUB с целью функциональной валидации мутаций. Этот метод можно использовать для оценки влияния генных вариантов на DUB. Недавнее исследование было посвящено DUB, мутировавшему в X-связанном интеллектуальном дефиците 105, DUB Ubiquitin Specific Proteaase 27 (USP27X). Исследователи успешно продемонстрировали метод экспрессии и очистки рекомбинантного USP27X, а также in vitro убиквитиновый анализ цепного расщепления. Такой подход позволяет определить ферментативную активность, регулирующую оборот белков в нейронах, и, следовательно, может быть важен для понимания механизмов, лежащих в основе изменённой синаптической обрезки, критических периодов нейроразвития и функциибелка 32. Любопытно, что опубликованных статей о DUB и их роли в заболеваниях мало, поэтому полная степень применения этого анализа остаётся непроверенной и открытой для дальнейших исследований.
Поскольку многие NDD также классифицируются как редкие заболевания, клиническое генетическое определение вариантов часто определяет изменения генов как «варианты неизвестного значения» (VUS) из-за отсутствия ранее опубликованных клинических или функциональных исследований этихвариантов 7,33,34. Таким образом, анализы для быстрого определения патогенности VUS имеют решающее значение для определения генетических причин NDD. Один из примеров — варианты рецепторовГАМК-А. Генетические варианты рецептораГАМК А являются одной из ведущих причин генетической эпилепсии и связаны со многими типами судорог и эпилептическими энцефалопатиями развития 7,35. Недавнее исследование изучало субъединицы рецептораГАМК и пыталось выяснить, вызывают ли эти варианты функциональные изменения внутри клетки с помощью мультимодального подхода. Для выявления VUS и прогнозирования патогенных изменений субъединиц γ2ГАМК использовались in silico-тесты. Молекулярные последствия вариантов были определены и включали структурные, физико-химические и биофизическиемаркеры 7. Каждая из этих областей была определена с помощью литературного анализа, моделирования in silico и электрофизиологии патч-клампа. После выбора эталонной области для тестирования эффектов ингибиза, опосредованного рецептором ГАМК, использовалось пирамидальное нейронное моделирование. Они наблюдали, что две мутации субъединиц ß3 (ß3N110D и ß3T288N) и две мутации субъединиц γ2 нарушают ингибицияГАМКергической 7. Этот протокол демонстрирует, что мультимодальный подход часто полезен для определения патогенности VUS. Хотя этот подход не обладает высокой пропускной способностью, он может быть полезен и для других VUS, связанных с NDD, у которых нет специального теста для функциональной валидации вариантов (например, DUB) — особенно если они связаны с электрофизиологическими изменениями.
Хотя это не новый подход, патч-кламп электрофизиология остаётся золотым стандартом для понимания электрических свойств нейронов и, следовательно, влияния генетических изменений на базовые свойства нейронов. Важны для NDDканалопатии 36. Хотя существует множество типов каналопатий, варианты SCN1A были хорошо изучены и являются основной причиной синдрома Драве — особенно разрушительной эпилептической энцефалопатии36 при развитии. Функциональная валидация вариантов SCN1A была достигнута с помощью комбинаторного подхода автоматизированного патч-клампа и симуляций in silico. Используя этот подход, исследователи смогли разрешить несколько VUS и провести корреляции генотипа и фенотипа на основе функциональных измененийнейронов 37. В отдельном исследовании с аналогичным подходом модели iPSC использовались с автоматизированной электрофизиологией патч-клампа и in silico моделями для классификации вариантов генов в кальциевых каналахT-типа 38. Сосредоточившись на CACNA1G — гене, кодирующем Cav3.1 в различных типах нейронов, CACNA1G был мутирован, чтобы получить 18 вариантов Cav3.1, которые затем временно трансфектировались в нейроны. После этого были сделаны автоматические записи patch-clamp, затем ручные патч-клампы и вычислительные подходы. Они отметили, что автоматизированные патч-зажимы и ручные патч-зажимы дают схожие результаты, а вычислительные методы позволяют определить функциональные изменения, вызванные конкретными генетическимивариантами 38. Хотя вычислительные модели обеспечивают относительно быстрый способ предсказания функциональных последствий генных вариантов, электрофизиологические подходы остаются трудоёмкими и требуют высокоспециализированных навыков, ограничивающих их полезность при попытках проверить большое количество вариантов.
Многоэлектродные массивы (MEA) используются для измерения электрической активности вокруг малых групп или больших сетей ячеек. Этот метод отличается от электрофизиологии патч-кламп тем, что он сосредоточен на многоклеточных моделях, тогда как патч-кламп сосредоточен на одном канале илиячейке 39,40. Благодаря этому МЭА могут дать представление о том, как разные области мозга взаимодействуют друг с другом, и могут использоваться для изучения заболеваний на уровне сети. Многие исследования использовали МЭА для изучения экспериментальных моделей эпилепсии иРАС 14,39. Ключевой особенностью МЭА является способность определять способы взаимодействия различных типов нейронных клеток (например, глутаматергические нейроны, ГАМКергические интернейроны, предшественники и глиальные клетки)14. Это делает MEAs отличным подходом для изучения мозговых ассемблоидов. Одно исследование, проведённое Паном и др., использовало этот метод для изучения развития нейронных сетей. Авторы использовали человеческие плюрипотентные стволовые клетки (hPSC) из фибробластов крайнейплоти 14, которые сначала были вирусно маркированы, а затем культивированы для получения ассемблоидов. Затем ассемблоиды были приклеены к пластинам MEA, и онизафиксировали 14 номеров. Важно, что поскольку ассемблеиды можно стабилизировать, регистрировать и подвергать фармакологическим экспериментам примерно в течение 50 дней, эта парадигма может использоваться для анализа терапевтических препаратов для лечения эпилепсии, связанной с NDD. Действительно, этот подход можно использовать для анализа любых NDD, при которых изменения сетевых свойств нейронов известны или подозреваются14.