مركز بول ف. جلين لبيولوجيا أبحاث الشيخوخة

يهتم مختبري بديناميكيات التيلومير أثناء دورة الخلية والشيخوخة والشيخوخة وتكوين السرطان. نحن نركز على مسارات صيانة التيلومير وتنظيمها أثناء التحول الخلوي ، على بنية التيلومير ، وتكرار التيلومير ، والتفاعل بين آلية نقاط التفتيش مع التيلوميرات ، وتأثير التيلوميرات على البنية النووية ، وتوطين التيلومير ، والتغيرات اللاجينية الناتجة عن التيلومير أثناء الخلوية والعضوية. الشيخوخة والتحول. الاكتشاف الأخير للمختبر بأن تثبيط الانقسام الفتيلي يؤدي إلى خلل وظيفي في التيلومير يعزز الفرضية القائلة بأن الآثار الجانبية المرتبطة بمعالجة مثبطات الانقسام ، مثل الأنماط الظاهرية للشيخوخة المتسارعة ، يمكن أن تكون ناجمة عن نزع التيلومير. علاوة على ذلك ، نحن نستكشف آثار التثبيط الانقسامي على أزمة التيلومير وعدم استقرار الجينوم وتكوين السرطان.

يدرس جيرالد شادل علم الأحياء الأساسي للميتوكوندريا و mtDNA ، وبذلك ، حدد طرقًا جديدة تساهم بها الميتوكوندريا في المرض والشيخوخة والجهاز المناعي. كما أنه مهتم بفهم كيفية مشاركة الميتوكوندريا في عمليات الإشارات الخلوية. يسعى إلى تحديد ماهية الإشارات والمسارات التي تطلقها وكيف تلعب دورًا في الشيخوخة والسرطان والأمراض الأيضية والتنكسية. تتبنى مجموعته وجهة نظر متعددة التخصصات ، حيث تستكشف وظيفة الميتوكوندريا - والخلل الوظيفي - من خلال الخلايا المستنبتة ، والكائنات الحية النموذجية وغيرها من الأساليب الجينية والكيميائية الحيوية.

يدرس ألين كيف تنظم الخلايا النجمية تكوين ووظيفة واستقرار الوصلات العصبية التي تسمى المشابك العصبية. تتفاعل الخلايا النجمية عن كثب مع الخلايا العصبية والمشابك عبر آلاف العمليات الدقيقة ، مما يجعلها في وضع يسمح لها بتنظيم هذه الروابط. نقاط الاشتباك العصبي هي نقاط أساسية لنقل المعلومات داخل الدوائر العصبية وتتغير طوال الحياة. في الدماغ الصغير تتشكل تريليونات من نقاط الاشتباك العصبي ، في الدماغ البالغ تستقر نقاط الاشتباك العصبي ، وفي الشيخوخة تصبح المشابك أقل وظيفية ويتم التخلص منها. علاوة على ذلك ، في معظم الاضطرابات العصبية ، وبغض النظر عن مرحلة الحياة ، يعد الخلل الوظيفي المشبكي مكونًا رئيسيًا. وهذا يشمل التوحد في مرحلة الشباب ، والفصام في مرحلة البلوغ ، ومرض الزهايمر في الشيخوخة. يبحث ألين فيما إذا كانت الخصائص المحددة لمرحلة الحياة للمشابك تنظمها الخلايا النجمية التي تتفاعل معها الخلايا العصبية ، لتحديد أهداف علاجية جديدة لإصلاح نقاط الاشتباك العصبي في الاضطرابات التي تكون فيها معطلة.

يهتم فريقنا بفهم كيفية قيام الدوائر العصبية بفك تشفير التغييرات البيئية لدفع السلوك. نحن نستخدم الديدان الخيطية ، جيم ايليجانس والفقاريات د. ريريو كنماذج لدراسة وظائف الدماغ.

استخدم جيم ايليجانس يتكون الجهاز العصبي من 302 خلية عصبية فقط متصلة بواسطة مشابك كيميائية وكهربائية محددة. على الرغم من بساطته ، يعرض هذا الحيوان عددًا من السلوكيات المعقدة التي تزودنا بنموذج مثالي لدراسة خصائص الدوائر العصبية.

ما هي الدائرة العصبية؟ تُعرَّف الدائرة العصبية بأنها مجموعة من الخلايا العصبية المترابطة التي يحدد تنشيطها مسارًا لتدفق المعلومات وغالبًا ما ينتج عنه ناتج سلوكي. لقد وجدنا مؤخرًا أنه في نظام الحسية الكيميائية ، يكون تكوين الدائرة العصبية ديناميكيًا ويتغير بناءً على السياق الحسي. وجدنا أن الخلايا العصبية الحسية تأتي في نوعين: الخلايا العصبية الحسية الأولية التي تكتشف مباشرة المنبهات والخلايا العصبية الثانوية التي تستجيب لإشارات من الخلايا العصبية الأولية. يشير هذا إلى أن المعلومات الحسية يتم ترميزها من خلال النشاط المشترك لكل من الخلايا العصبية الأولية والثانوية. لقد اكتشفنا أيضًا أن إشارات الخلايا العصبية الأولية والثانوية تتدهور أثناء الشيخوخة وأن هذا الفقد قد يكمن وراء الانخفاض المرتبط بالشيخوخة في وظيفة حاسة الشم. نقوم حاليًا بتشريح الآليات التي تنظم عملية الشيخوخة على مستوى الجينات والدوائر العصبية والأنسجة والحيوانات بأكملها.

شيخوخة الإنسان هي عامل الخطر الرئيسي للعديد من الأمراض بما في ذلك الاضطرابات التنكسية العصبية مثل مرض الزهايمر أو مرض باركنسون. لفهم التسبب في هذه الأمراض بشكل أفضل ، يعتبر توليد الخلايا العصبية البشرية في المختبر لنمذجة المرض نهجًا جذابًا. ومع ذلك ، فإن الحفاظ على شيخوخة الإنسان كعامل خطر رئيسي قد يبدو غير مرجح بالنظر إلى أن الخلايا يجب أن تنقل حالة الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات التي تشبه الجنين (iPSC). لقد أنشأنا iPSCs من مجموعة واسعة من المتبرعين المسنين ووجدنا أنه ، على عكس الخلايا الليفية الجلدية الأولية ، جددت iPSCs ذاكرتها النسخية لعمر المتبرع. بدلاً من ذلك ، التحويل المباشر إلى الخلايا العصبية المستحثة الوظيفية (iN) التوقيعات النسخية المحفوظة للعمر. الأهم من ذلك ، أظهرت iNs من المتبرعين المسنين انخفاضًا شديد الاعتماد على العمر في العديد من الجينات المثيرة للاهتمام وذات الصلة بما في ذلك الجينات التي تشفر البروتينات المهمة للنقل النووي ، والأهم من ذلك أن هذه الجينات والبروتينات المقابلة لها يتم تنظيمها أيضًا في الخلايا الليفية القديمة وكذلك في الشيخوخة البشرية. القشرة الجبهية. باستخدام نظام المراسل للتجزئة النووية السيتوبلازمية (NCC) ، اكتشفنا خسارة مرتبطة بالعمر لـ NCC في الخلايا الليفية والخلايا العصبية القديمة. بالإضافة إلى ذلك ، أثبتنا أن تقليل البروتين الرئيسي كان كافياً لإضعاف NCC في الخلايا الشابة. في المقابل ، استعاد تجديد iPSC بالكامل NCC في الخلايا القديمة. توضح بياناتنا أنه ، على عكس iPSCs ، تحتفظ iNs المحولة مباشرة بالتوقيعات الجزيئية والوظيفية المهمة لعمر المتبرعين ، مما يسمح بنموذج جديد للشيخوخة في المختبر. تحدد البيانات أيضًا تقسيم البروتين الضعيف بين النواة والسيتوبلازم كعامل مهم يشارك في شيخوخة الإنسان.

تهدف سوزان كيش إلى فهم كيفية إنتاج خلايا الذاكرة التائية أثناء العدوى والتلقيح ، وكيف تعمل ولماذا قد تفشل في إحداث مناعة طويلة الأمد ، خاصة أثناء المرض المزمن أو السرطان. كان مختبرها رائدًا في استخدام الأدوات الجينية والجزيئية لتحديد الجينات وإشارات الجزيئات المشاركة في توليد نوعين محددين من خلايا الذاكرة التائية ، CD4 و CD8 ، من الخلايا السليفة أثناء العدوى الفيروسية الحادة والمزمنة. لقد اكتشفت هي وفريقها العديد من شبكات الجينات والجزيئات الرئيسية المسماة السيتوكينات التي تشكل كيفية تطور خلايا الذاكرة التائية أثناء العدوى الفيروسية. تهتم Kaech بشكل خاص بكيفية تنظيم الخلايا التائية ، وكيف يمكن تغيير تخصصها ووظيفتها من خلال أنواع العناصر الغذائية المتوفرة في الأنسجة المصابة أو في الأورام. فيما يتعلق بهذا ، تسعى إلى معرفة كيفية قمع الأورام لسلوك الخلايا التائية ، من أجل إنشاء علاجات أفضل للسرطان باستخدام الجهاز المناعي للجسم - وهو مجال مبتكر وسريع الحركة يسمى العلاج المناعي للسرطان.

يتمثل أحد الجوانب الرئيسية التي تتحكم في التعبير الجيني في الكائنات حقيقية النواة في إضافة مجموعات كيميائية محددة ، تسمى التعديلات اللاجينية ، إلى الحمض النووي والهستونات - وهما مكونان رئيسيان للكروماتين. تؤثر هذه التعديلات على التعبير عن الجينات الأساسية وتلعب أدوارًا حاسمة في العمليات البيولوجية المتنوعة بما في ذلك البصمة والتطوير وإسكات الجينات. يدرس مختبري الآليات التي يتم من خلالها إنشاء وتفسير هذه الأنماط من تعديلات الكروماتين. على وجه الخصوص ، نحن مهتمون بالتعديلات القمعية ، مثل مثيلة الحمض النووي ، التي تساهم في استقرار الجينوم العالمي ، من خلال إسكات العناصر القابلة للنقل ، والهوية الخلوية ، من خلال إسكات الجينات بطريقة مبرمجة تنمويًا. وإثباتًا لأهمية أنماط مثيلة الحمض النووي الصحيحة ، ترتبط مثيلة الحمض النووي الشاذة بالتأثيرات الحادة والمزمنة على التنمية وصحة الإنسان. وهذا يشمل العديد من الأمراض المرتبطة بالعمر مثل أمراض القلب والسرطان ومجموعة متنوعة من الاضطرابات العصبية واضطرابات المناعة الذاتية. لفهم كيفية ظهور التغييرات في مثيلة الحمض النووي وكيف تساهم في تطور الأمراض المرتبطة بالعمر ، يلزم فهم تفصيلي للبروتينات والمسارات التي تتحكم في مثيلة الحمض النووي. لن تكون هذه المعلومات أساسية فقط في فهم كيفية مساهمة العمليات اللاجينية في تطور الأمراض ، ولكن أيضًا في تحديد كيفية استخدام التلاعبات المحددة لمسارات مثيلة الحمض النووي للعلاج الجيني.

على مدار العامين الماضيين ، ركز مختبري على تحديد وتوصيف مؤثرات الكروماتين ، بما في ذلك مجمعات إعادة تشكيل الكروماتين وبروتينات ربط الهيستون ، التي تربط التعديلات اللاجينية بالآلية المطلوبة لتنسيق العمليات الحرجة المرتبطة باستقرار الجينوم باستخدام نموذج النبات Arabidopsis thaliana. باستخدام مزيج من الأساليب الجينية والكيميائية الحيوية والجينوميات ، نهدف إلى تحديد العلامات اللاجينية التي تتعرف عليها عوامل الكروماتين هذه ، وتحديد شركائها المتفاعلين ، والتحقيق في آثارها على التعبير الجيني وهيكل الكروماتين عالي الرتبة ، مما يوفر نظرة شاملة للأحداث التي تحدث. التعديلات الجينية المصب.

نبات الأرابيدوبسيس هو كائن نموذجي مثالي لدراسة العمليات اللاجينية لأنه مرن وراثيًا وقابل للتحليل الجيني بدرجة عالية ومتحمل للتغيرات الدراماتيكية في منظره اللاجيني ، مما يميزه عن الكائنات الحية النموذجية الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، يتم حفظ العديد من البروتينات والمسارات المشاركة في العمليات اللاجينية بين النباتات والثدييات. وبالتالي ، فإن عملنا يستفيد من السرعة والقابلية الوراثية لنظام نموذجي مع الحفاظ على مستوى عالٍ من الصلة بصحة الإنسان والأمراض التي قد تساعد في نهاية المطاف في تطوير أدوات قادرة على تصحيح العيوب القائمة على الوراثة اللاجينية.

يركز عمل Metallo على رسم خرائط لشبكات التمثيل الغذائي المترابطة للكشف عن المسارات المسببة للأمراض. باستخدام جزيئات التتبع وتقنيات التحليل الطيفي المتقدمة للكتلة ، يحدد مختبره كيفية تكسير الجزيئات وإعادة بنائها ، حيث تنتهي المستقلبات في الجسم ، وما الذي ينظم هذه العمليات. باتباع هذا النهج ، توصل Metallo إلى اكتشافات رئيسية حول المسارات الأيضية التي تدفع تطور السرطان والأمراض البقعية - المسارات التي يمكن أن تتأثر بالتلاعب الغذائي أو العلاجات المستهدفة.

يستكشف فريقنا كيف تتحكم ساعاتنا البيولوجية في عملية التمثيل الغذائي وعلم وظائف الأعضاء كوسيلة للتوصل إلى استراتيجيات جديدة لعلاج الأمراض المزمنة أو الوقاية منها. اكتشف مختبرنا أن مستقبلًا للضوء ، يُدعى الميلانوبسين ، يستشعر الضوء الأزرق في بيئتنا ويخبر عقولنا متى تنام ومتى تبقى في حالة تأهب. ألهم هذا الاكتشاف المهندسين المعماريين والمصممين لإعادة تصميم الإضاءة في أماكن العمل والمنازل والمستشفيات لتحسين نوعية الحياة. يتابع الفريق أيضًا بنشاط فكرة جديدة للعثور على الأدوية التي يمكن أن تحاكي الضوء أو الظلام بحيث يمكن علاج أمراض مثل الاكتئاب واضطرابات النوم بشكل فعال.

أظهر عملنا على ساعات خارج الدماغ أن أوقات الأكل تزامن الساعات في أعضاء أخرى ، بما في ذلك الكبد والعضلات والأنسجة الدهنية. هذه الساعات ، بدورها ، تنظم متى وإلى متى يقوم الجسم بتكسير السكر والدهون والكوليسترول.

ربما وجدنا خيارًا آخر للوقاية من السمنة عن طريق الحفاظ على إيقاعات التغذية الطبيعية دون تغيير المدخول الغذائي. اكتشفنا أن الفئران التي تناولت طعامًا دهنيًا بشكل متكرر على مدار اليوم اكتسبت وزنًا وتطور لديها ارتفاع في نسبة الكوليسترول في الدم وارتفاع نسبة الجلوكوز في الدم وتلف الكبد وضعف التحكم في الحركة ، في حين أن الفئران التي تقتصر على تناول الطعام لمدة ثماني ساعات فقط في اليوم كان وزنها أقل بنسبة 28 في المائة ولم تظهر أي آثار سلبية. آثار صحية ، على الرغم من استهلاك نفس الكمية من السعرات الحرارية من نفس الأطعمة الدهنية. عند إجراء اختبار تمرين ، تفوقت الفئران المقيدة بوقت أيضًا على آكلات Ad-lib والحيوانات الضابطة التي تتغذى على نظام غذائي عادي. تشير النتائج إلى أن التحكم في استقلاب الطاقة هو عملية مضبوطة بدقة تتضمن شبكة معقدة من الإشارات والمسارات الجينية ، بما في ذلك آليات استشعار المغذيات ونظام الساعة البيولوجية. تعمل التغذية المقيدة بالوقت على هذه الشبكات المتشابكة وتحرك حالتها نحو حالة إيقاع التغذية الطبيعي.

يعمل فريق جون رينولدز على فك شفرة الآليات العصبية التي تمكننا من إدراك وفهم والتفاعل مع العالم من حولنا ، وهي القدرات التي تعاني من ضعف في أمراض الدماغ. إن الهدف بعيد المدى لمختبره ذو شقين: فهم الطبيعة الأساسية للحسابات التي يقوم بها الدماغ وربطها بالإدراك والوعي الواعي.

يعالج رينولدز وفريقه هذه الأسئلة من خلال دراسة كيف يتنقل دماغ الثدييات ويفهم الكمية الهائلة من المعلومات الحسية التي نتلقاها من بيئتنا في أي لحظة. لدراسة هذا السؤال ، قاموا بنشر مجموعة من التقنيات التجريبية ، بما في ذلك الفسيولوجيا العصبية ، وعلم التشريح العصبي ، والنمذجة الحاسوبية ، والفيزياء النفسية البصرية ، والفوتون المجهري وأحدث تقنيات علم البصريات الوراثي ، والتي تستلزم استخدام الفيروسات لتغيير الحمض النووي للخلايا العصبية بحيث تصبح حساسة للضوء. ثم يستخدم فريق رينولدز أشعة الليزر للتحكم في نشاط الخلايا العصبية من أجل فهم حسابات الدماغ.

الهدف الرئيسي لبحثنا هو توضيح الآليات التي تربط الخلايا من خلالها توافر المغذيات بنمو الخلايا والتمثيل الغذائي. يركز عملنا على مسار تحويل الإشارات محفوظ للغاية والذي يتحكم فيه بروتين كيناز المنشط AMP (AMPK) والذي يؤدي ، عند تحريره ، إلى الإصابة بالسرطان وأمراض التمثيل الغذائي. يعمل تنشيط AMPK بواسطة مثبط الورم LKB1 في ظل ظروف إجهاد الطاقة كمفتاح مركزي يعيد برمجة استقلاب الجلوكوز والدهون ويوقف نمو الخلايا. LKB1 ، الذي يشفر إنزيم سيرين / ثريونين كيناز المسبب لمرض السرطان الموروث متلازمة بوتز جيغرز ، هو أيضًا أحد أكثر الجينات شيوعًا في سرطان الرئة.

تهدف الجهود الحالية في مختبرنا إلى تحديد المكونات الرئيسية لمسار إشارات LKB1-AMPK الذي يمنع تكون الأورام وأمراض التمثيل الغذائي ، بالإضافة إلى فك تشفير الدوائر التي تربط العمليات البيولوجية للخلية الأساسية بعلم وظائف الأعضاء. نحن نستخدم مجموعة متنوعة من نماذج الفئران البيوكيميائية والبيولوجية والخلوية والجينية لتشريح هذه العمليات البيولوجية. أدى اكتشاف هذا المسار القديم لاستشعار الطاقة بالفعل إلى رؤى أساسية حول الآليات التي من خلالها تربط جميع الكائنات حقيقية النواة نموها بظروف المغذيات والتمثيل الغذائي. إن الفهم الأعمق للمكونات الرئيسية لهذا المسار الذي يربط بين عملية التمثيل الغذائي ونمو الخلايا سوف يرشدنا إلى أفضل طريقة لاستغلال هذه الآليات الذاتية لمكافحة أشكال معينة من السرطان ومرض السكري من النوع 2.

يخضع جهاز المناعة لتغييرات عميقة مع تقدم العمر. عند كبار السن ، يحدث انخفاض كبير في قدرة الجهاز المناعي على الاستجابة للتطعيم وحماية العائل من العدوى. الخلايا التائية التنظيمية (Treg) هي مجموعة فرعية من الخلايا اللمفاوية التائية التي تثبط الاستجابة المناعية المفرطة وتمنع أمراض المناعة الذاتية. يزداد عدد الخلايا التائية التنظيمية بشكل كبير أثناء عملية الشيخوخة مقارنةً بالمجموعات الفرعية للخلايا التائية الأخرى في البشر والفئران. يمكن أن يؤدي توسع Tregs في الفرد القديم إلى تضخيم وظيفتها المثبطة للمناعة ، ويؤدي إلى ضعف الاستجابة المناعية ضد العدوى والأورام. حاليًا ، الإشارات التي تحرك توسع Treg أثناء الشيخوخة غير مفهومة جيدًا. كما أنه ليس من الواضح ما إذا كانت Tregs من الأفراد المسنين تحتفظ بنفس القدرة على كبت المناعة مثل Tregs من الشباب. نحن ندرس حاليًا ديناميكيات سكان Treg أثناء الشيخوخة ونميز التوقيعات الجزيئية لخلايا Treg المسنة. من خلال دراستنا ، نأمل أن نطور استراتيجيات للتعامل مع Tregs لضبط جهاز المناعة في وضع الشيخوخة لمحاربة العدوى والسرطان.