Учёные на уровне человеческих нейронов показали молекулярный механизм, который помогает клеткам мозга избавляться от токсичного белка тау, одного из ключевых виновников болезни Альцгеймера и других форм деменции. Причём речь идёт не о наблюдении "в целом", а о чётко идентифицированном гене и пути утилизации белка.

Белок тау в норме стабилизирует микротрубочки внутри нейронов, но при патологиях он начинает слипаться в олигомеры и фибриллы. Именно олигомеры, состоящие из нескольких молекул тау, считаются ранней и наиболее токсичной формой. Интересно, что даже в мозге людей с тяжёлым Альцгеймером часть нейронов остаётся относительно здоровой. Это навело исследователей на мысль, что разные нейроны по-разному справляются с тау.

Команда из UCSF использовала человеческие нейроны, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Они сравнили клетки с мутацией MAPT V337M, связанной с наследственными тауопатиями, и генетически идентичные клетки без мутации. В мутантных нейронах уровень тау-олигомеров был повышен, а при подавлении самого гена MAPT сигнал снижался, что подтвердило точность модели.

Ключевой технологией стал полно­геномный CRISPRi-скрининг. Вместо того чтобы по очереди проверять около 20 000 генов, нейроны обрабатывали смесью вирусных векторов, каждый из которых "приглушал" один конкретный ген. Большинство клеток получало максимум один такой вектор. Затем нейроны окрашивали антителом T22, которое распознаёт именно олигомерный тау, и с помощью проточной цитометрии разделяли клетки с высоким и низким уровнем тау-олигомеров. После этого секвенировали направляющие РНК, чтобы понять, какие гены были выключены в каждой группе.

В результате получился рейтинг генов, влияющих на накопление тау. Самым стабильным и сильным кандидатом оказался CUL5. Этот ген кодирует компонент E3-убиквитин-лигазы, ферментного комплекса, который помечает белки для разрушения в протеасоме. Когда CUL5 или его ключевой партнёр RNF7 подавляли, уровень тау в нейронах возрастал.

Эффект был посттрансляционным. Тау не начинал синтезироваться быстрее, он просто хуже разрушался. Когда исследователи блокировали протеасому, различия между нормальными и CUL5-подавленными клетками исчезали, что напрямую связало CUL5 с системой утилизации белков. Также удалось локализовать участок тау, по которому он распознаётся этим комплексом, примерно между аминокислотами 80 и 130.

Анализ данных одиночных клеток из человеческих мозгов показал, что нейроны с более высоким уровнем CUL5 и связанных компонентов чаще оказываются устойчивыми к дегенерации при Альцгеймере и других тауопатиях. Это указывает на то, что усиленная способность к "очистке" тау может быть одним из факторов нейронной выживаемости.

Второй важный результат связан с митохондриями. Тот же CRISPR-скрининг показал, что гены, отвечающие за окислительное фосфорилирование и электронно-транспортную цепь, сильно влияют на накопление тау-олигомеров. Когда исследователи фармакологически подавляли работу митохондрий с помощью ротенона или антимицина A, уровень тау возрастал, а нейроны начинали вырабатывать формы тау, похожие на те, которые измеряются в клинических биомаркерах Альцгеймера.

Ключевым фактором оказался не дефицит энергии, а окислительный стресс. Рост активных форм кислорода сопровождался фрагментацией тау, добавление перекиси водорода воспроизводило эффект, а антиоксиданты его ослабляли. Это даёт более точное понимание того, как митохондриальная дисфункция может ускорять нейродегенерацию.