The Role of Transposable Elements in Healthy Aging and in Alzheimer's Disease

转座元件在健康衰老和阿尔茨海默病中的作用

基本信息

  • 批准号:
    10670482
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 135.82万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-15 至 2024-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT ABSTRACT/SUMMARY Transposable Elements (TEs) comprise roughly 25% of human DNA and represent the largest class of biochemically functional DNA elements in mammalian genomes. Around 8% of the TEs in the human genome are human endogenous retroviruses (HERVs). A HERV consists of a set of genes (Gag, Pol, Env) that facilitate retrotransposition, and two promoter-containing identical long terminal repeats (LTRs) that flank these genes; a complete HERV typically spans several kilobases. Most HERVs are fragments or solitary LTRs. Since their identification numerous studies have looked for causative roles for HERVs in disease processes with findings that suggest a causative role in some cancers, autoimmune disorders and neurological disorders, and it is thought that dysregulation of HERVs plays a critical role in the pathophysiology of neurodegeneration and aging. In preliminary data, we have used our bioinformatic pipeline Telescope to identify differentially regulated HERVs in bulk RNAseq data and found district patterns of HERV expression across brain regions and neuronal cell types in AD and aging. In a tauopathy mouse model, we also found that the hyperactive Cyclic GMP-AMP synthase (cGAS)-Stimulator of interferon genes (STING) signaling (cGAS) pathway contributes to tau toxicity since genetic reduction of cGAS protected against tau-mediated spatial learning and memory deficits in a tauopathy mouse model of AD. This led us to the hypothesis that HERVs are a source of viral nucleic acid that stimulate cGAS-STING leading to neuroinflammation, contributing to the etiology of AD. In three specific aims, we will first characterize and validate HERV expression from cell and brain samples from across the lifespan, and from age and sex matched patients with AD. Using our new bioinformatics pipeline, Stellarscope, we will determine differential expression of HERVs from single-nuclei RNA-sequencing data with loci-specific precision. Second, we will determine neuronal-associated gene- and HERV-expression pathways modulated by aging and AD, using participant-derived cell models of directly induced neurons (iNs). Unlike the immature neuronal populations generated from induced pluripotent stem cells, iNs retain neuron-specific, aging-associated gene- expression characteristics of the donor. We will determine if differences in HERV expression are reflective of accelerated age- and/or additional AD-associated transcriptional signatures are evident through the retrotranscriptional phenotyping of iNs derived from age-matched young cohorts and age-matched elder cohorts. Finally, we will ascertain how TEs can cause Tauopathy in a mouse model of AD. We will determine any beneficial effects of a cGAS inhibitor on TE expression before or after the onset of cognitive deficit in tauopathy mice and whether cGAS deletion changes TE expression. We will assess whether suppression of TEs will protect against tauopathy, and how inhibitors of cGAS change TE expression. Completion of the proposed study will identify novel mechanisms of TE expression in aging and in AD, and provide new therapeutic directions for pharmacological intervention.
项目摘要/总结 转座元件 (TE) 约占人类 DNA 的 25%,代表最大的一类 哺乳动物基因组中具有生化功能的 DNA 元件。人类基因组中约 8% 的 TE 是人类内源性逆转录病毒(HERV)。 HERV 由一组基因(Gag、Pol、Env)组成,这些基因促进 逆转录转座,以及位于这些基因侧翼的两个包含相同长末端重复序列 (LTR) 的启动子;一个 完整的 HERV 通常跨越数千个碱基。大多数 HERV 是片段或单独的 LTR。自从他们的 许多研究都在寻找 HERV 在疾病过程中的致病作用,并得出结论 这表明它在某些癌症、自身免疫性疾病和神经系统疾病中具有致病作用,并且 认为 HERV 失调在神经退行性变和衰老的病理生理学中起着关键作用。 在初步数据中,我们使用生物信息管道望远镜来识别差异调节的 HERV 在批量 RNAseq 数据中发现了跨大脑区域和神经元细胞的 HERV 表达区域模式 AD 和衰老的类型。在 tau 蛋白病小鼠模型中,我们还发现过度活跃的环 GMP-AMP 合成酶 (cGAS) - 干扰素基因刺激剂 (STING) 信号传导 (cGAS) 途径导致 tau 毒性 因为 cGAS 的遗传减少可以防止 tau 介导的空间学习和记忆缺陷 AD tau蛋白病小鼠模型。这使我们得出这样的假设:HERV 是病毒核酸的来源, 刺激 cGAS-STING 导致神经炎症,导致 AD 的病因。在三个具体目标中, 我们将首先表征并验证整个生命周期的细胞和大脑样本中的 HERV 表达, 以及年龄和性别匹配的 AD 患者。使用我们新的生物信息学管道 Stellarscope,我们将 以位点特异性精度从单核 RNA 测序数据确定 HERV 的差异表达。 其次,我们将确定受衰老和衰老调节的神经元相关基因和 HERV 表达途径。 AD,使用直接诱导神经元 (iN) 的参与者衍生细胞模型。与未成熟的神经元不同 由诱导多能干细胞产生的群体,iNs 保留了神经元特异性、与衰老相关的基因 - 供体的表达特征。我们将确定 HERV 表达的差异是否反映了 加速的年龄和/或额外的 AD 相关转录特征通过 来自年龄匹配的年轻队列和年龄匹配的老年队列的 iN 的逆转录表型。 最后,我们将确定 TE 如何在 AD 小鼠模型中引起 Tau 病。我们将确定任何 cGAS 抑制剂对 tau 蛋白病认知缺陷发作前后 TE 表达的有益影响 小鼠以及 cGAS 缺失是否会改变 TE 表达。我们将评估抑制 TE 是否能够保护 对抗 tau 蛋白病,以及 cGAS 抑制剂如何改变 TE 表达。完成拟议的研究将 确定衰老和 AD 中 TE 表达的新机制,并为治疗提供新的方向 药物干预。

项目成果

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