Funkcjonalna i ewolucyjna genomika astrocytów

Co leży u podstaw ewolucyjnej eksplozji zdolności poznawczych i obliczeniowych ludzkiego mózgu? Astrocyty mogą stanowić klucz do rozwiązania tego fascynującego pytania. Oprócz funkcji odżywczych astrocyty odgrywają centralną rolę w biogenezie i usuwaniu synaps, czyli procesów kluczowych dla plastyczności mózgu, a zatem dla uczenia.

W porównaniu do swoich odpowiedników u gryzoni czy małp, astrocyty ludzkie wykazują unikatowe cechy morfologiczne i funkcjonalne. Jednak, pomimo ważnych funkcji tych komórek, struktura i ewolucja sieci regulacyjnej koordynującej biologię astrocytów pozostają nieznane. Nasze centrum Dioscuri, łączy narzędzia „omiki”, CRISPR-Cas9 oraz modele komórek macierzystych i chimer, aby zrozumieć genetyczne podstawy funkcji i ewolucji astrocytów.

Pozyskiwanie i hodowla astrocytów z mózgów naczelnych są niezwykle trudne lub wręcz niemożliwe. Dlatego, w naszej pracy skoncentrowaliśmy się na nowoczesnych technologiach umożliwiających otrzymywanie astrocytów in vitro przy użyciu indukowanych komórek macierzystych (ang.: induced pluripotent stem cells, komórki iPS). To podejście gwarantuje bezinwazyjne pozyskiwanie astrocytów od różnych gatunków ssaków, w dowolnych ilościach. Na przestrzeni ostatnich trzech lat funkcjonowania naszego laboratorium, utworzyliśmy bank komórek iPS ludzi, szympansów, makaków oraz myszy oraz wdrożyliśmy protokoły różnicowania i hodowli astrocytów in vitro.

dr Aleksandra Pękowska, fot. M. Łepecki

Korzystając z zestawu narzędzi do biologii molekularnej oceniliśmy różnice we wzorcach ekspresji genów w ludzkich i małpich astrocytach. Odkryliśmy, że aktywność genów ewoluuje stopniowo. Zidentyfikowaliśmy ponad tysiąc loci o zmienionym poziomie ekspresji u człowieka w porównaniu z szympansem i makakiem. Lista ta obejmuje liczne czynniki związane z chorobami mózgu, takimi jak stwardnienie rozsiane lub choroba Alzheimera. Zidentyfikowaliśmy również czynniki o niepoznanej jak dotąd funkcji. Nasze dane pokazują, że ewolucja astrocytów jest powiązana ze zmienioną ekspresją wielu tak zwanych transkryptów niekodujących które są szczególnie interesujące, ponieważ produkowane przez nie cząstki RNA mogą regulować aktywność innych genów. Obecnie badamy implikacje najciekawszych czynników które odkryliśmy przy użyciu metod inżynierii genomu i biologii komórki.

dr Aleksandra Pękowska, fot. M. Łepecki Ekspresja genów jest sterowana przez specyficzne sekwencje DNA, tak zwane elementy regulatorowe. Wzmacniacze (ang.: enhancer) działają na promotory zwiększając ich aktywność, a co za tym idzie ekspresje genów. Izolatory (ang.: insulator) hamują wzmacniacze. Ewolucja poziomu aktywności genów jest związana ze zmianami w sekwencji wzmacniaczy, promotorów i izolatorów. Zmiany te mogą prowadzić do spadku lub do wzrostu aktywności tych elementów. Używając technik biologii molekularnej połączonych z wysokoprzepustowym sekwencjonowaniem (ATAC-seq i ChIP-seq) uzyskaliśmy mapę aktywnych elementów regulatorowych w genomach astrocytów u człowieka, szympansa i makaka. Korzystając z tego unikalnego zestawu danych, byliśmy w stanie powiązać ze sobą zmiany transkrypcyjne i epigenetyczne oraz zidentyfikować możliwe mechanizmy, które sterują ewolucja poziomu ekspresji genów w astrocytach człowieka. Obecnie implementujemy system mysich chimer, aby badać wpływ zidentyfikowanych przez nas genów i elementów regulatorowych w biologii astrocytów, i szerzej, aktywności mózgu. Badania te są finansowane ze środków pochodzących z grantu Dioscuri oraz funduszy które pozyskaliśmy w ramach grantu instalacyjnego Europejskiej Organizacji Biologii Molekularnej (EMBO Installation Grant).

Astrocyty między-warstwowe, nazywane również między-blaszkowymi (ang.: interlaminar astrocytes), to typ astrocytów obecny jedynie u naczelnych. Badania mózgów osób dotkniętych choroba Alzheimera wskazują, iż astrocyty między-warstwowe znikają u pacjentów z najbardziej zaawansowana forma tej dewastującej choroby. Niemniej jednak funkcje oraz epigonom astrocytów między-warstwowych nie zostały do tej pory zdefiniowane. Dzięki badaniom finansowanym przez środki pozyskane w ramach grantu NCN OPUS 22, ocenimy profil molekularny tych unikatowych komórek, co mamy nadzieję, pozwoli w przyszłości zrozumieć role astrocytów między-warstwowych w rozwoju chorób neurodegeneracyjnych.

Nasze badania w Centrum Dioscuri Biologii Chromatyny i Epigenomiki koncentrują się ponadto na mechanizmach sterujących aktywnością elementów regulatorowych DNA. Dzięki grantom OPUS17 oraz Sonata Bis, odkryliśmy niespodziewanie szerokie zmiany w repertuarze bialek wiążących izolatory podczas różnicowania embrionalnych komórek macierzystych do komórek nerwowych. Ukazujemy nowy mechanizm sterowania aktywnością tych elementów podczas rozwoju ssaków. Ponadto, środki te pozwalają nam na wdrażanie nowych technologii mapowania struktury genomu. Badania te dadzą nam potencjał do lepszego zrozumienia mechanizmów sterujących specyficznością akcji elementów regulatorowych DNA. Jesteśmy również członkiem międzynarodowej sieci naukowej chrom_rare (Maria Skłodowska Curie Actions) mającej na celu zrozumienie molekularnych podstaw chorób związanych z mutacjami w czynnikach sterujących aktywnością chromatyny.

Wybrane publikacje

• Verkhratsky A., Arranz AM, Ciuba K, Pękowska A. Evolution of neuroglia. A.Ann N Y Acad Sci. 2022 Oct 26.
• Dehingia B., Milewska M., Janowski M. & Pękowska A. CTCF shapes chromatin structure and gene expression in health and disease. EMBO Reports (2022), e55146; https://doi.org/10.15252/embr.202255146.
• Janowski M., Milewska M., Zare P., & Pękowska A., Chromatin Alterations in Neurological Disorders and Strategies of (Epi) Genome Rescue. Pharmaceuticals 2021, 14(8), 765.
• Pękowska A.^, Klaus B, Xiang W., Severino J., Daigle N., Klein F.A., Oleś M., Casellas R., Ellenberg J., Steinmetz L.M.S., Bertone P.^, Huber W.^ Gain of CTCF-anchored chromatin loops marks the exit from naive pluripotency. Cell Systems Nov. 28; 7(5):482-495.
• Vian L.#, Pękowska A.#, Rao SSR.#, Kieffer-Kwon K-R#, Jung S#, Baranello L., Huang SC., El Khattabi L., Dose M., Pruett N., Sanborn AL., Canela A., Maman Y., Oksanen A., Resch W., Li X., Lee B., Kovalchuk AL., Tang Z., Nelson S., Di Pierro M., Cheng RR., Machol I., St Hilaire BG., Durand NC., Shamim MS., Stamenova EK., Onuchic JN., Ruan Y., Nussenzweig A., Levens D., Aiden EL., Casellas R. The energetics and physiological impact of cohesin extrusion. Cell 2018 May 17;173(5):1165-1178.e20.
• Schwarzer W.#, Abdennur N.#, Goloborodko A.#, Pękowska A., Fudenberg G., Loe-Mie Y., Fonseca N.A., Huber W, Haering C., Mirny L., Spitz F. Two independent modes of chromosome organization are revealed by cohesin removal. Nature 2017 Nov 2;551(7678):51-56
• Pękowska A.#, Benoukraf T.#, Zacarias-Cabeza J.#, Belhocine M., Koch F., Holota H., Imbert J. Andrau JC., Ferrier P., Spicuglia S. H3K4 tri-methylation provides an epigenetic signature of active enhancers. EMBO J. 2011;(July):1–13.
• Pękowska A., Benoukraf T., Ferrier P., Spicuglia S. A unique H3K4me2 profile marks tissue-specific gene regulation. Genome Research, 2010 Nov; 20(11):1493–502.