Новый геномный атлас развивающегося мозга человека

Чтобы зарождающийся мозг человеческого эмбриона развился в сложный орган, контролирующий человеческое сознание, должна иметь место точно настроенная последовательность генетических событий; сотни генов активируются и деактивируются в точной симфонии. Мутации в этих генах нарушают молекулярные инструменты симфонии и, если они возникают в генах, важных для развития мозга, могут привести к неврологическим заболеваниям, таким как аутизм и эпилепсия. Исследователи долго изо всех сил пытались понять, как мутации в регуляторных областях генома – проводниках, а не инструментах – также могут нарушить этот процесс.

Теперь исследователи из институтов Гладстона и Института нейробиологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) Weill создали всеобъемлющий региональный атлас регуляторных регионов генома, связанных с развитием человеческого эмбрионального мозга .

«Это дает нам доступный для поиска атлас части развивающегося человеческого мозга с большим количеством данных, – сказала Кэти Поллард, доктор философии, директор Института науки о данных и биотехнологии Гладстона. «Это ценный инструмент для исследования биологии, лежащей в основе нарушений нервного развития».

Поллард и профессор психиатрии UCSF Джон Рубинштейн являются старшими авторами нового исследования, опубликованного в Интернете в журнале Cell .

Только около двух процентов генома человека кодирует настоящие гены. Большая часть остальной части генома содержит регуляторные элементы, проводники, которые контролируют, когда и где эти гены активируются. Гены, важные для определенных аспектов функции печени, например, не нужно включать в клетках мозга , поэтому для контроля экспрессии генов в этих тканях необходимы различные регуляторные элементы.

Когда исследователи анализируют ДНК людей с нарушениями психического развития, они часто обнаруживают десятки, если не сотни, естественных вариаций в последовательностях ДНК. Однако лишь небольшая часть этих вариантов может быть связана с самим расстройством, и определить, какие из них важны, сложно.

«Большая часть генома все еще остается в этом обширном и загадочном месте, потому что мы не знаем, какие части генома играют роль в каких тканях», – сказала Эйрен Маркенскофф-Пападимитриу, доктор философии, научный сотрудник Института им. Неврология и соавтор статьи.

В новом исследовании ученые изучили клетки части развивающегося человеческого мозга, называемой конечным мозгом. Эта область содержит структуры, отвечающие за сенсорную обработку, произвольные движения, язык и общение.

Команда воспользовалась тем фактом, что внутри клеток геном плотно закручен в плотную структуру, известную как хроматин. Эта трехмерная структура раскрывает важные части генома в любой данной клетке, обнажая участки регуляторной ДНК, необходимые для функционирования клетки. Используя технологию под названием ATAC-seq, команда разрезала обнаженную ДНК в эмбриональных клетках мозга. Проанализировав, где сделаны эти разрезы, они смогли предположить, какие части генома подвергаются воздействию и могут содержать важные регуляторные области.

Их первоначальные эксперименты выявили более 103 000 областей открытого хроматина в развивающихся клетках мозга. Чтобы сузить этот список, исследователи обратились к подходу машинного обучения. Они написали компьютерную программу, которая использует уже известную информацию о регуляторной ДНК, чтобы помочь выделить закономерности, характерные для клеток мозга.

«Мы хотели сократить этот первоначальный список до меньшего набора, который, скорее всего, был важен для регулирования развития мозга», – сказал научный сотрудник Гладстона Шон Уэлен, доктор философии, соавтор новой статьи.

Например, если регуляторная область была похожа на область, которая, как известно, активна только в конечностях или легких, программа машинного обучения пришла к выводу, что это не энхансер, специфичный для мозга. В конце концов, группа пришла к набору из примерно 19 000 регуляторных областей генома, которые, как ожидается, будут играть роль в развитии мозга.

Чтобы показать полезность нового набора данных, исследователи более внимательно изучили два участка генома, которые появились в новом атласе, которые ранее также были связаны с аутизмом и эпилепсией. Они показали, что последовательности ДНК действительно действуют как усилители в клетках мозга – они обладают способностью включать гены.

«Теперь мы можем использовать этот подход, чтобы спросить, как все виды других мутаций влияют на некодирующий геном», – сказал Маркенскофф-Пападимитриу. «Этот атлас указывает нам направление конкретных областей мозга, на которые влияют генетические мутации».

Если исследовательская группа обнаружит, например, сотни генетических вариантов, связанных с заболеванием нервной системы, теперь они могут использовать атлас для перекрестной проверки того, какие варианты являются частью 19 000 регионов, определенных как критические для развития мозга. Это может помочь им понять, какие варианты заслуживают дальнейшего изучения, вместо того, чтобы тратить месяцы на тестирование генетических вариантов, которые в конечном итоге не связаны с болезнью.

«Мы думаем, что наши данные помогут многим другим исследовательским группам в дальнейшей работе», – согласился Уэлен. Он говорит, что помимо изучения болезней этот ресурс будет полезен для фундаментальной науки о том, как развивается мозг .

услуги нутрициологаАвтор сайта и статей: Наталья Степанова, нутрициолог-психолог, консультант по питанию и коррекции веса. Подробнее обо мне

Я в соц. сетях: Vk, Instagram.

Рейтинг
Еще статьи нутрициолога:
Adblock
detector