Trisomi 21 orsakar dynamiska förändringar i signalvägar och cellfunktioner under mognaden till nervceller

Med det långsiktiga målet att kunna påverka hjärnans utveckling och förbättra kognitionen hos personer med Downs syndrom, har forskare i Uppsala och Stockholm undersökt hur Trisomi 21 påverkar nervsystemets celler i olika utvecklingsstadier. Forskarna etablerade stamceller (s.k. inducerade pluripotenta stamceller; iPSC) från individer med Downs syndrom. Stamcellerna fick sedan mogna till neuronala stamceller (NPC) som motsvarar stadiet hos ett tio veckors foster, och senare mera differentierade nervceller och gliaceller (DiffNPC) motsvarande stadier hos ett 20-30 veckor gammalt foster.

Forskarna jämförde stamceller från två personer med Downs syndrom (DS) med kontrollstamceller från tre personer utan DS. Forskarna mätte hur mycket olika gener uttrycktes, hur mycket proteiner det resulterade i, hastigheten i celldelningen, mängden av olika celltyper som utvecklades, utväxten av nervcellsutskott, mängden av fria syreradikaler/oxidativ stress, och mängden av mitokondriellt DNA.

Genuttryck och proteiner
Uttrycket av gener och mängden av proteiner analyserades i både NPC och DiffNPC. Tydliga skillnader identifierades i uttryck av gener över hela arvsmassan vilket indikerar att Trisomi 21 påverkar ”aktiviteten” på alla kromosomer. I NPC med Trisomi 21 var 734 gener uppreglerade och 188 gener nedreglerade i jämförelse med NPC utan Trisomi 21, och i DiffNPC var resultatet 634 respektive 245. När man mätte mängden proteiner så var det som väntat färre som avvek (NPC: 62 upp och 60 ned, DiffNPC: 20 upp och 21 ned), men alla proteiner som förekom i större eller mindre utsträckning i DS-celler hade motsvarande förändring i genuttrycket. 7 proteiner förekom i större mängd hos både NPC och DiffNPC, och 3 förekom i minskad mängd i båda stadierna.

Avvikelser i genuttryck på kromosom 21 följde inte bara av att DS-cellerna har tre istället för två genkopior, utan vissa var mångfalt uppreglerade och några var även nedreglerade. Generna OLIG1 och OLIG2 på kromosom 21 var avsevärt nedreglerade och forskarna såg också påverkan på andra gener av betydelse för myelinisering av nervceller hos personer med DS. Den starkaste och mest konsistenta uppregleringen i båda stadierna fann man för genen RUNX1, som har betydelse för nervcellsdifferentiering och bildning av neuronala utskott.

I cellernas mitokondrier, som har betydelse för energiproduktion, var 10 av 24 gener nedreglerade vid Trisomi 21 och det senare stadiet (DiffNPC), trots att mängden mitokondrie-DNA var högre i förhållande till DNA i cellkärnan.

Signalvägar och funktioner
Forskarna analyserade vilka signalvägar och funktioner som påverkas av avvikelser i genuttryck och proteinmängd vid Trisomi 21. Fem av de uppreglerade generna är hubbar/noder för flera signalvägar och får på så vis extra stor betydelse. Proteinerna från fyra av dem är viktiga för cellens kommunikation med sin omgivning, d.v.s. med andra celler och den extracellulära matrisen. Sammantaget påverkas ett antal signalvägar vid Trisomi 21 som är av betydelse för om cellen utvecklas till en nervcell eller en gliacell, för nervcellens differentiering, och dess energiomsättning.

Forskarna gjorde också en kombinerad analys av signalvägar och funktioner baserad på både genuttrycken och proteinmängderna, och det pekade på 11 funktionella kluster som påverkas av Trisomi 21 under nervcellsutvecklingen. 

Påverkan på åtta av dessa kluster har tidigare identifierats i andra vävnader och kan vara en generell påverkan i organutveckling vid Trisomi 21 (DNA-replikering, kollagen-bindande kluster, cellvidhäftning, cellens interaktion med den extracellulära matrisen, integrinkomplex, TGF-beta-signalering, oxidativ fosforylering, och glykolys). Tre av dessa var påverkade i både NPC-erna och DiffNPC-erna och berör cellens samspel med sin omgivning (cellvidhäftning, cellens interaktion med den extracellulära matrisen, och integrinkomplex).

Fem kluster var påverkade av Trisomi 21 enbart i NPC-erna (DNA-replikering, pluripotens, synaptisk mognad, neuroaktiv signalering, och kollagen-bindande kluster) vilket antyder att regleringen av celltillväxten och differentieringen är mest påverkad i det tidiga NPC-stadiet, vilket påverkar förutsättningar för senare utveckling av neurala strukturer. Forskarna uppmätte också lägre celldelningshastighet och förändringar i antal utväxter av neuriter i DS-cellerna i detta stadium.

Tre kluster var påverkade av Trisomi 21 enbart i DiffNPC (TGF-beta-signalering, oxidativ fosforylering, och glykolys) vilket stöder bilden av dessa funktioners ökande betydelse med neuronal differentiering. Forskarna tror att påverkan här kan vara en konsekvens av problemen i cell-cell interaktionen, den extracellurära matrisen, och signalering genom cellmembranet av till exempel tillväxtfaktorer. Forskarna såg inte att nedregleringen av mitokondrierna var kopplad till oxidativ stress och diskuterar om den annorlunda fördelningen av celltyper kan vara en förklaring. Forskarna kunde mäta bland DiffNPC att 48% av DS-cellerna blivit gliaceller medan andelen hos kontrollcellerna var 19%. Nervceller, som DS-cellerna hade mindre av, är beroende av mitokondriernas produktion av ATP genom oxidativ fosforylering. Astrocyter, som är den vanligaste gliacellen, kan däremot klara sin energiförsörjning genom glykolys.

Studien ger en molekylär ”kartbild” över hjärnans utveckling vid Trisomi 21 och i olika faser, med syftet att på lång sikt kunna utveckla behandlingar som leder till bättre kognitiv förmåga vid DS.

Läs mer:

Transcriptome and Proteome Profiling of Neural Induced Pluripotent Stem Cells from Individuals with Down Syndrome Disclose Dynamic Dysregulations of Key Pathways and Cellular Functions

(2019, Apr: Maria Sobol, Joakim Klar, Leora Laman, Mansoureh Shahsavani, Jens Schuster, Göran Annerén, Anne Kunze, Jia Mi, Jonas Bergquist, Jessica Nordlund, Jan Hoeber, Mikael Huss, Anna Falk, Niklas Dahl. PMID30989628, 10.1007/s12035-019-1585-3 (open access)

Relaterat på Svenska Downföreningens hemsida:

Hur utvecklas nervceller med Trisomi 21? (Okt 2018)

Hur Trisomi 21 påverkar cellernas proteiner (Jan 2018)

Brist på energi (Feb 2017)

Hur en extra kopia av DYRK1A påverkar nervcellstillväxten (Jan 2015)