Niklas Dahls och Anna Falks forskargrupper i Uppsala och Stockholm undersöker hjärnans utveckling vid Trisomi 21 (T21) med syftet att på lång sikt kunna utveckla behandlingar som leder till minskad kognitiv funktionsnedsättning vid Downs Syndrom. De har tidigare undersökt genaktivitet och proteiner i omogna nervceller med T21, motsvarande utvecklingen hos ett 10 veckors foster (NPC) respektive ett 20-30 veckors foster (DiffNPC). Nu har de undersökt hur den epigenetiska styrningen av generna fungerar i dessa celler. Metylering av DNA är en viktig epigenetisk mekanism med avgörande betydelse för cellers differentiering och ett fosters utveckling. När metylgruppen fäster i en gens promotor så blockeras transkriptionen och genen tystas. Om metylgruppen fäster inne i genen så kan det också leda till ett ökat uttryck av genen.
Forskarna undersökte DNA från celler i NPC-stadiet respektive DiffNPC-stadiet från två personer med Downs syndrom och från två personer utan Downs syndrom som kontroller. Blandningen av de huvudsakliga celltyperna var jämförbar mellan T21-cellerna och kontrollcellerna, och motsvarade utvecklingen av mitthjärnan, hjärnbryggan och lillhjärnan.
DNA från alla kromosomer testades på 485.000 platser där metylering kan ske, och forskarna hittade 500 (0,1 %) där metyleringen var annorlunda i både NPC- och DiffNPC-stadiet för T21-cellerna. Hälften var mer och hälften var mindre metylerade i T21-cellerna. Genom analyser av de 500 platserna i DNA:t kunde forskarna ringa in 151 gener som påverkas av den annorlunda metyleringen.
37 av de påverkade generna är DNA-bindande proteiner som interagerar med DNA på olika sätt. Flera av generna tillhör familjerna HOX3, ZNF och HIST1. HOX3-gener avgör vilken celltyp som cellen till slut ska bli och var olika celltyper placeras. Zinc Finger-gener kodar för transkriptionsfaktorer, och 3 av dem förekommer i stor utsträckning i den vuxna hjärnbarkens gliaceller. HIST 1-generna kodar för de proteiner som bygger upp histoner. Histoner fungerar som spolar där DNA-strängen rullas upp och tillsammans kallas de för kromatin. Kromatinets struktur och täthet påverkar också genernas aktivitet. En handfull ytterligare gener med annorlunda metylering kodar också för transkriptionsfaktorer, varav en del är viktiga för tidig neuronal differentiering.
Sammanfattning
Studien tyder på att stamceller med Trisomi 21, som differentierats mot nervceller, kan användas för att identifiera de epigenetiska förändringar som leder till förändrad transkription av gener under nervcellsutvecklingen. De regioner som hade metylerats annorlunda har många gener och genfamiljer som påverkar transkription och kromatinstruktur. Ytterligare undersökningar behövs av metylering hos nervceller som har olika funktioner, för att klargöra DNA-metyleringens effekt på hjärnans utveckling vid Trisomi 21. Nästa steg är att analysera olika celltyper individuellt i komplexa och tredimensionella organoider utvecklade från stamceller med T21.
Läs mer:
DNA methylation changes in Down syndrome derived neural iPSCs uncover co-dysregulation of ZNF and HOX3 families of transcription factors. (2020, Jan: Loora Laan, Joakim Klar, Maria Sobol, Jan Hoeber, Mansoureh Shahsavani, Malin Kele, Ambrin Fatima, Muhammad Zakaria, Göran Annerén, Anna Falk, Jens Schuster, Niklas Dahl.) PMID31915063, PMC6950999
Relaterat på hemsidan:
Hur utvecklas nervceller med Trisomi 21? (Okt 2018)
Är åldrande en sjukdom? (Aug 2018)
Hur Trisomi 21 påverkar cellernas proteiner (Jan 2018)