Le cellule gliali cerebrali possiedono orologi circadiani unici che si deteriorano nell'Alzheimer e con l'invecchiamento

I ritmi circadiani—l'orologio biologico delle 24 ore del corpo—governano non solo i cicli sonno-veglia, ma anche migliaia di geni in praticamente ogni tessuto. Nel cervello, una disfunzione circadiana è sempre più associata alle malattie neurodegenerative, in particolare alla malattia di Alzheimer (AD). Eppure quasi nulla era noto su come i singoli tipi di cellule cerebrali mantengano i propri programmi di espressione genica circadiana, o su come tali programmi cambino con l'invecchiamento o la patologia della malattia.

Per colmare questa lacuna, Sheehan et al. hanno impiegato due strategie complementari di marcatura ribosomiale: Aldh1l1-RPL10a-eGFP (AstroTRAP) per gli astrociti e Cx3cr1-Cre-ERT2;LSL-Rpl22-HA (mgRiboTag) per la microglia. I topi sono stati sincronizzati su cicli luce-buio, poi posti al buio costante e sacrificati ogni due ore nell'arco di 24 ore. L'mRNA associato ai ribosomi è stato immunoprecipitato e sequenziato, catturando il trascrittoma attivamente tradotto—il "traslatoma"—in ciascun punto temporale. Gli esperimenti sono stati condotti su topi wild-type, topi con modello amiloide APP/PS1-21 (raccolti a 6 mesi, quando le placche sono abbondanti) e topi anziani (~18 mesi). Campioni di corteccia in massa pre-immunoprecipitazione sono stati utilizzati come confronto a livello tissutale. Due coorti sperimentali indipendenti sono state combinate dopo la correzione per effetti batch, confermando la riproducibilità dei risultati.

I dati hanno rivelato che astrociti e microglia presentano traslatomi circadiani altamente distinti, con una sovrapposizione solo parziale rispetto ai ritmi della corteccia in massa, a dimostrazione del fatto che l'analisi del tessuto in bulk oscura la biologia specifica dei singoli tipi cellulari. Nei topi sani, i programmi circadiani gliali comprendevano geni legati all'immunometabolismo, alla proteostasi, alla reattività cellulare e alla funzione lisosomiale. In modo sorprendente, quasi la metà di tutti i geni di rischio genetico noti per l'AD oscillava in modo circadiano in almeno un tipo cellulare.

Nei topi amiloidi APP/PS1, i traslatomi circadiani sia degli astrociti che della microglia sono stati profondamente riprogrammati: molti trascritti normalmente ritmici hanno perso la propria ritmicità, mentre sono emersi nuovi geni oscillanti. Nella corteccia in massa, l'amiloide ha perturbato la regolazione circadiana delle vie del lisosoma e dell'autofagia (geni ritmici esclusivi dei topi WT), inducendo al contempo una nuova ritmicità nelle vie di NF-κB e nella sintesi ormonale. La microglia ha mostrato una riprogrammazione particolarmente marcata, con le reti di geni della microglia associata alla malattia (DAM) che acquisivano oscillazione circadiana nei topi APP. Saggi funzionali hanno confermato che le risposte allo stress ossidativo della microglia e la capacità di fagocitosi dell'amiloide variano significativamente in base all'ora del giorno, con implicazioni dirette per il modo e il momento in cui queste funzioni rilevanti per la malattia operano in vivo.

L'invecchiamento ha prodotto un pattern distinto di riprogrammazione circadiana sia negli astrociti che nella microglia, in larga misura non sovrapposto alle alterazioni indotte dall'amiloide, suggerendo che l'invecchiamento e la malattia rimodellano i programmi circadiani attraverso meccanismi differenti. Gli autori hanno inoltre dimostrato che l'ora del giorno in cui i topi vengono sacrificati influenza sostanzialmente l'analisi dell'espressione genica differenziale tra topi WT e APP/PS1, con alcuni geni che appaiono sovra- o sotto-regolati nel modello di malattia esclusivamente in funzione del momento di raccolta. Questa scoperta ha implicazioni pratiche immediate per la progettazione e l'interpretazione degli studi trascrittomici nei modelli murini di AD.

L'intero dataset è stato reso pubblicamente disponibile come risorsa web interattiva, offrendo alla comunità scientifica un atlante dell'espressione genica circadiana ad alta risoluzione e risolto per tipo cellulare, relativo alla salute cerebrale, alla malattia di Alzheimer e all'invecchiamento.