'การซ่อมแซมอย่างเงียบๆ ในสมอง': DNA Polymerase β ปกป้องเซลล์ประสาทที่กำลังพัฒนาจากการกลายพันธุ์

ในขณะที่เปลือกสมองยังคงก่อตัวอยู่ “โครงการก่อสร้างที่มองไม่เห็น” กำลังดำเนินไปอย่างเต็มที่ในจีโนมของเซลล์ประสาท: ยีนหลายพันตัวถูกกระตุ้น เครื่องหมายเมทิลเลชันถูกกำจัดออกจากโปรโมเตอร์และเอนฮานเซอร์ และการปรับแต่งการแสดงออกอย่างละเอียดก็เกิดขึ้น ณ จุดนี้ ข้อผิดพลาดในการซ่อมแซมดีเอ็นเอใดๆ สามารถ “ติดค้าง” อยู่ในเซลล์ประสาทได้ตลอดชีวิต การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ในPNASแสดงให้เห็นว่ากุญแจสำคัญ “แจ็คออฟออลเทรด” คือ DNA polymerase β (Polβ): หากปราศจาก DNA polymerase β (Polβ) จำนวนการกลายพันธุ์อินเดล (การแทรก/การลบ) ในไดนิวคลีโอไทด์ CpG จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในเซลล์ประสาทเปลือกสมองที่กำลังพัฒนา นั่นคือจุดที่กระบวนการดีเมทิลเลชันแบบแอคทีฟเกิดขึ้น

ความเป็นมาของการศึกษา

การพัฒนาของเปลือกสมองเป็นช่วงเวลาของการปรับโครงสร้างการควบคุมจีโนมอย่างรวดเร็ว: เอนแฮนเซอร์และโปรโมเตอร์หลายพันตัวถูก "เปิดใช้งาน" เนื่องจากดีเมทิลเลชันของดีเอ็นเอที่ออกฤทธิ์ในบริเวณ CpG และโปรแกรมการถอดรหัสของเซลล์ประสาทก็เปลี่ยนแปลงไป การ "ซ่อมแซม" ทางเอพิเจเนติกส์เช่นนี้จำเป็นต้องตัดและแทนที่เบสในดีเอ็นเอ ดังนั้นจึงเกี่ยวข้องกับความเสี่ยงที่จะเกิดข้อผิดพลาดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งแตกต่างจากเซลล์ที่กำลังแบ่งตัว เซลล์ประสาทส่วนใหญ่จะออกจากวัฏจักรเซลล์อย่างรวดเร็ว และข้อผิดพลาดในการซ่อมแซมใดๆ จะกลายเป็นส่วนหนึ่งของจีโนมไปตลอดชีวิต ก่อให้เกิดโมเสกโซมาติก

ดีเมทิลเลชันที่ออกฤทธิ์ทางชีวเคมีเกิดขึ้นผ่านการออกซิเดชันของ 5-เมทิลไซโทซีน (เอนไซม์ในกลุ่ม TET) การกำจัดเบสที่เปลี่ยนแปลงโดยไกลโคซิเลส และการซ่อมแซมเบสที่ถูกตัดออก (BER) ตามมา “แพตช์” สำคัญของวิถีนี้คือดีเอ็นเอโพลีเมอเรส β (Polβ) ซึ่งเติมเต็มช่องว่างสายเดี่ยวที่เกิดขึ้นด้วยนิวคลีโอไทด์ที่ถูกต้องและส่งผ่านตำแหน่งนั้นไปยังการผูก หากขั้นตอนนี้ไม่ได้ผลอย่างสมบูรณ์ โครงสร้างกลางจะแตกและกลายเป็นอินเดลมิวเทชัน (การแทรก/การลบ) หรือการจัดเรียงตัวที่ใหญ่ขึ้นได้ง่ายขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงทางอีพิเจเนติกส์อย่างรุนแรง โดยเฉพาะในบริเวณควบคุมที่มี CpG สูง

ความเปราะบางเฉพาะของ CpGs ยังเกี่ยวข้องกับลักษณะ "กลายพันธุ์" โดยทั่วไปของพวกมันด้วย: 5-methylcytosine มีแนวโน้มที่จะเกิดการดีอะมิเนชันตามธรรมชาติ ทำให้ CpGs กลายเป็นจุดร้อนของการกลายพันธุ์ในเนื้อเยื่อต่างๆ ในสมองที่กำลังพัฒนา สิ่งนี้จะทวีความรุนแรงขึ้นจากการไหลทะลักของดีเมทิลเลชันของยีนและเอนฮานเซอร์ของเซลล์ประสาท ซึ่งก็คือตำแหน่งหลายพันตำแหน่งที่กำลังเกิด BER พร้อมกัน ในสถานการณ์เช่นนี้ ประสิทธิภาพของ Polβ และการประสานงานของทีมซ่อมแซมจะเป็นตัวกำหนดจำนวนข้อผิดพลาดที่แทรกซึมเข้าสู่จีโนมของเซลล์ประสาทถาวร

ความสนใจในกระบวนการเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงเชิงวิชาการ การกลายพันธุ์แบบโซมาติกที่เกิดขึ้นในช่วง “หน้าต่าง” ของการสร้างเซลล์ประสาทใหม่ถูกนำมาอภิปรายว่าเป็นปัจจัยเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นต่อพัฒนาการทางระบบประสาทและความผิดปกติทางจิตเวช รวมถึงเป็นแหล่งที่มาของ “สัญญาณรบกวน” ทางพันธุกรรมที่เกี่ยวข้องกับอายุในเครือข่ายประสาท การทำความเข้าใจกลไกการซ่อมแซมใดที่รับประกัน CpG ระหว่างการเชื่อมต่อทางเอพิเจเนติกใหม่ และสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อกลไกเหล่านั้นล้มเหลว จะช่วยเชื่อมโยงเอพิเจเนติกส์ การกลายพันธุ์ และฟีโนไทป์ในสมองที่กำลังพัฒนา และแนะนำว่าควรมองหาหน้าต่างของความเปราะบางและเป้าหมายที่เป็นไปได้สำหรับการปกป้องจีโนมของเซลล์ประสาทที่ใด

เหตุใดสิ่งนี้จึงสำคัญ?

ในมนุษย์และหนู โดยทั่วไปแล้วเซลล์ประสาทจะไม่แบ่งตัว ไม่ว่าจะมีข้อผิดพลาดใดๆ ก็ตาม เซลล์ประสาทเหล่านี้จะคงอยู่ในเซลล์เป็นเวลาหลายทศวรรษและสร้างรูปแบบโมเสกโซมาติก ซึ่งเป็น "รูปแบบ" ของการกลายพันธุ์เฉพาะตัวจากเซลล์ประสาทหนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง ภาวะนี้มีความเกี่ยวข้องกับพัฒนาการของระบบประสาทและความผิดปกติทางจิตเวชมากขึ้นเรื่อยๆ งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นกลไกการกลายพันธุ์เฉพาะและการหลอมรวมเฉพาะอย่างชัดเจน: ตำแหน่ง CpG ระหว่างการดีเมทิลเลชัน → ความเสียหายของดีเอ็นเอ → การซ่อมแซมช่องว่างในวิถีการซ่อมแซมการตัดฐาน (BER) เมื่อ Polβ ถูกปิดการทำงานในเซลล์ตั้งต้นของคอร์เทกซ์ อินเดลของ CpG จะมีจำนวนเพิ่มขึ้นประมาณ 9 เท่า และรูปแบบโครงสร้างจะมีจำนวนเพิ่มขึ้นประมาณ 5 เท่า

พวกเขาทำอะไรกันแน่?

• หนูที่มีการน็อคเอาท์สายเซลล์ประสาทของ Polβ (Emx1-Cre) ถูกนำมาใช้ในการสร้างเซลล์ประสาทใหม่ในเปลือกสมอง
• ได้ทำการรวบรวมเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน (รวมทั้งเซลล์จากการถ่ายโอนนิวเคลียสของร่างกาย) และดำเนินการจัดลำดับจีโนมทั้งหมดเพื่อวัดปริมาณการกลายพันธุ์ของร่างกาย
• ตัวอย่างประเภทป่าและตัวอย่างที่ขาด Polβ ถูกนำมาเปรียบเทียบ โดยติดตามตำแหน่งและประเภทของการแตกหัก (อินเดล การจัดเรียงโครงสร้างใหม่)

ผลการค้นพบที่สำคัญ

• อินเดล "ยึดติด" กับ CpGs: การสูญเสีย Polβ ทำให้ความถี่ของอินเดลเพิ่มขึ้นที่ CpGs ประมาณเก้าเท่า ซึ่งชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความเชื่อมโยงกับการดีเมทิลเลชันที่ใช้งานซึ่งเกิดจาก TET
• ความล้มเหลวที่สำคัญยิ่งกว่า: การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเกิดขึ้นบ่อยกว่าประมาณ 5 เท่า
• พวกมันมุ่งเป้าไปที่ยีนของเซลล์ประสาท: การกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นในยีนที่สำคัญต่อการพัฒนาคอร์เทกซ์ พวกมันทำให้เกิดการเลื่อนเฟรม การแทรก/การลบกรดอะมิโน และแม้กระทั่งการสูญเสีย/ได้รับไซต์ CpG ในบริเวณควบคุม

'จุดอ่อน' ของ CpG คืออะไร และ Polβ ปิดจุดอ่อนนั้นได้อย่างไร

ในระหว่างการกระตุ้นโปรแกรมของเซลล์ประสาท เอนแฮนเซอร์และโปรโมเตอร์จะถูกดีเมทิลเลชัน: เอนไซม์ TET จะออกซิไดซ์ 5-เมทิลไซโทซีน จากนั้นไกลโคไซเลสและ BER จะกำจัดเบสที่เสียหาย ทำให้เกิดช่องว่างในสายโซ่หนึ่ง Polβ เข้ามามีบทบาท โดยจะเติมช่องว่างด้วยตัวอักษรที่ถูกต้องและส่งผ่านดีเอ็นเอเพื่อเชื่อมต่อ หากไม่มี Polβ ช่องว่างมักจะกลายเป็นอินเดลและการจัดเรียงใหม่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง Polβ ยับยั้งการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นพร้อมกับการกระตุ้นยีน เมื่อสมองกำลัง "ปรับ" แผนการทำงานของมันอยู่

เพราะเหตุใดภาพจึงเปลี่ยนไป?

• เชื่อมโยง epigenetics และการกลายพันธุ์: แสดงให้เห็นว่ากระบวนการ demethylation เองเป็นสารก่อกลายพันธุ์ แต่ร่างกายได้ติดตั้ง "การซ่อมแซม" ในรูปแบบของ Polβ
• อธิบายโมเสก: การกลายพันธุ์ที่มีลักษณะเฉพาะบางอย่างในเซลล์ประสาทอาจเป็นผลพลอยได้จากการกระตุ้นยีนการพัฒนาตามปกติ - หากการซ่อมแซมล้มเหลว
• นัยทางคลินิก: ข้อบกพร่องของ BER/Polβ ในช่วงเวลาสำคัญของการพัฒนาในทางทฤษฎีจะเพิ่มความเสี่ยงต่อพัฒนาการทางระบบประสาท ซึ่งเป็นแนวทางสำหรับการวิจัยและไบโอมาร์กเกอร์ในอนาคต

“พิธีสาร” จะถูกอ่านอย่างไรสำหรับผู้สนใจ

• วัสดุ: เซลล์ประสาทคอร์เทกซ์ระยะเริ่มต้น เส้นที่ได้จาก SCNT และตัวควบคุม
• วิธีการ: WGS ที่มีการแมปเหตุการณ์ SNV/indel/structural ทางกายภาพและการเสริมสมรรถนะในบริเวณใกล้เคียง CpG
• การเปรียบเทียบ: ชนิดป่าเทียบกับ Polβ-KO (Emx1-Cre); การประเมินผลกระทบต่อองค์ประกอบการควบคุม (ตัวเพิ่มประสิทธิภาพ/ตัวกระตุ้น)

ข้อจำกัด

• นี่คือแบบจำลองเมาส์และระบบเซลล์ การแปลเป็นมนุษย์ต้องได้รับการยืนยันโดยตรงในกระบวนการสร้างเซลล์ประสาทของมนุษย์และเนื้อเยื่อหลังการเสียชีวิต
• งานนี้มุ่งเน้นไปที่ Polβ หน่วย BER อื่นๆ และเส้นทางการซ่อมแซมทางเลือกอาจมีส่วนสนับสนุนด้วย ภาพนี้ยังต้องมีการอธิบายต่อไป

ความคิดเห็นของผู้เขียน

ผู้เขียนเน้นย้ำแนวคิด “เชิงแปล” ของงานวิจัยนี้ นั่นคือ การทำให้การปลดปล่อยยาที่ควบคุมด้วยอัลตราซาวนด์ไม่ใช่เรื่องแปลกใหม่ แต่เป็นเทคโนโลยีที่ประกอบขึ้นจากส่วนประกอบทางเภสัชกรรมทั่วไป ก้าวสำคัญคือการเติมซูโครสประมาณ 5% ลงในแกนกลางที่เป็นน้ำของไลโปโซม การเปลี่ยนแปลงนี้จะเปลี่ยนคุณสมบัติทางเสียงของสารที่บรรจุอยู่ภายใน และทำให้อัลตราซาวนด์แบบพัลส์ความเข้มต่ำสามารถเพิ่มการซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์ได้ชั่วขณะ โดยไม่ต้องให้ความร้อนแก่เนื้อเยื่อและไม่เกิดโพรงอากาศ ในความเห็นของพวกเขา การพึ่งพาสารเพิ่มปริมาณ GRAS และกระบวนการผลิตไลโปโซมมาตรฐานต่างหากที่ “ขจัดอุปสรรค” ระหว่างห้องปฏิบัติการและคลินิก

นักวิจัยวางแพลตฟอร์มนี้ให้เป็นปุ่ม “เปิด” ทั่วไปสำหรับยา แทนที่จะเป็นสารละลายยาเดี่ยว ในหลอดทดลอง นักวิจัยสามารถบรรจุและปล่อยยาเคตามีนและยาชาเฉพาะที่สามชนิดได้ตามคำสั่ง และในการทดลองในร่างกายพวกเขาได้สาธิตการปรับสภาพระบบประสาทแบบกำหนดเป้าหมายในระบบประสาทส่วนกลางและการระงับปวดเฉพาะที่บนเส้นประสาทส่วนปลาย โดยไม่เปิด BBB และไม่เกิดความเสียหายทางเนื้อเยื่อวิทยาในโหมดการทำงาน ตามสูตรของพวกเขา นี่คือ “การนำส่งแบบกำหนดเป้าหมายที่ตำแหน่งและการปรับสภาพระบบประสาทแบบไม่รุกราน” ของบริเวณมิลลิเมตรของสมองและเนื้อเยื่อโดยใช้ระบบอัลตราซาวนด์ทางคลินิก

มีการให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับโหมดอัลตราซาวนด์ที่ปลอดภัย ผู้เขียนระบุว่าพารามิเตอร์ที่เพียงพอสำหรับ "การปลดยา" อยู่ในช่วงของอัลตราซาวนด์โฟกัสความเข้มต่ำ ซึ่งสามารถทำได้ในสถานพยาบาลที่มีอยู่ และสอดคล้องกับข้อจำกัดของ FDA/สมาคมวิชาชีพสำหรับการใช้ผ่านกะโหลกศีรษะ สิ่งนี้มีความสำคัญต่อกระบวนการกำกับดูแลและความสามารถในการทดสอบแพลตฟอร์มอย่างรวดเร็วในทางคลินิก

ในเวลาเดียวกัน ทีมงานยังระบุ “ปัญหาคอขวด” และขั้นตอนต่อไปอย่างเปิดเผย:

• เภสัชจลนศาสตร์และการรั่วไหลพื้นหลัง: จำเป็นต้องปรับแต่งสูตรอย่างละเอียดเพื่อลดการปล่อยนอกเป้าหมายและการแลกเปลี่ยนอนุภาคกับระบบเรติคูโลเอนโดทีเลียลระหว่างการไหลเวียนเป็นเวลานาน
• การเพิ่มประสิทธิภาพของโหมดอัลตราซาวนด์สำหรับเนื้อเยื่อต่างๆ (สมองเทียบกับเส้นประสาทส่วนปลาย) และสำหรับโมเลกุล "สินค้า" ที่แตกต่างกัน
• การขยายขนาดและ CMC: การยืนยันความเสถียร (ห่วงโซ่ความเย็น) การผลิตแบบอนุกรมและการเปรียบเทียบกับรูปแบบลิโพโซมที่ได้รับอนุมัติแล้วตามเกณฑ์คุณภาพ
• การขยายข้อบ่งชี้: การทดสอบโมเลกุลที่เกินกว่าการดมยาสลบ/เภสัชวิทยาประสาทและจิตเวชศาสตร์ ซึ่ง "เภสัชวิทยาเฉพาะที่" เป็นสิ่งสำคัญ (เช่น ความเจ็บปวด อาการเกร็ง ฤทธิ์ต้านอาการชักเฉพาะที่)

แนวคิดหลักของผู้เขียนคือการดัดแปลงทางวิศวกรรมอย่างง่ายๆ ในส่วนของ "แกน" ของไลโปโซมทั่วไป สามารถเปลี่ยนอัลตราซาวนด์จาก "ค้อนขนาดใหญ่" (การให้ความร้อน/การเกิดโพรงอากาศ) ให้เป็นสวิตช์ปรับขนาดยาอย่างละเอียด หากการทดสอบเพิ่มเติมยืนยันความปลอดภัยและความสามารถในการควบคุมในสัตว์ขนาดใหญ่และมนุษย์ วิธีการ "เปิด" ยาอย่างแม่นยำ ณ เป้าหมาย และเฉพาะเมื่อได้รับยาเท่านั้น จะกลายเป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงทางเภสัชวิทยาคลินิก ตั้งแต่ด้านประสาทวิทยาไปจนถึงการดมยาสลบเฉพาะจุด

บทสรุป

นักวิจัยได้ติดตั้ง "กล้องซ่อน" ไว้ในช่วงเวลาที่ยีนคอร์เทกซ์ "ตื่น" และมองเห็นจุดอ่อนที่จุด CpG ได้อย่างแม่นยำ Polβ กลายเป็น "ช่างซ่อมเงียบ" ที่ป้องกันไม่ให้จุดอ่อนเหล่านี้กลายเป็นภาวะเซลล์ประสาทเสื่อมไปตลอดชีวิต การสูญเสีย Polβ เกิดจากการเพิ่มขึ้นของอินเดล CpG (~×9) และการจัดเรียงตัวใหม่ (~×5) ในยีนเซลล์ประสาท การทำความเข้าใจกลไกนี้จะช่วยอธิบายต้นกำเนิดของปรากฏการณ์โซมาติกโมเสก และนำไปสู่การศึกษาในอนาคตเกี่ยวกับช่องโหว่ของพัฒนาการทางระบบประสาท

ที่มา: Sugo N. และคณะ DNA polymerase β ยับยั้ง somatic indels ที่ CpG dinucleotides ในเซลล์ประสาทคอร์เทกซ์ที่กำลังพัฒนารายงานการประชุมของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (ออนไลน์ 13 สิงหาคม; ฉบับ 19 สิงหาคม 2568), https://doi.org/10.1073/pnas.2506846122 e2506846122