Zespół naukowców z Icahn School of Medicine w Mount Sinai i Yale University School of Medicine stworzył pierwszy „multiomowy” atlas rozwoju komórek mózgowych w ludzkiej korze mózgowej w sześciu szerokich punktach czasowych rozwoju, od rozwoju płodu do dorosłości, rzucając nowe światło na światło na ich rolę w rozwoju mózgu i chorobach.
„Multiome” odnosi się do jednoczesnej analizy wielu typów informacji genetycznej w tej samej próbce biologicznej. Mogą obejmować genom, DNA zakodowany w naszych komórkach; transkryptom, kopie RNA tworzone przez komórkę z genomu; i epigenomu, modyfikacje chemiczne i czynniki regulacyjne determinujące dostępność chromatyny,
Jak opisano w Science Advances, badacze wykorzystali nowe narzędzia naukowe do analizy i opisania dwóch rodzajów informacji z każdej komórki – ekspresji genów (transkryptomu) oraz struktury DNA (epigenomu) – umożliwiając im kategoryzację typów komórek na różnych etapach rozwoju . Dane ujawniły specyficzne zmiany w strukturze chromatyny, które poprzedzają ekspresję genów. Zmiany te są kluczowe dla wielu procesów, w tym powstawania neuronów.
Ponadto ich analiza wskazała regiony chromatyny powiązane z regulacją genów, o których wiadomo, że odgrywają kluczową rolę w rozwoju ludzkiego mózgu. W szczególności odkryli, że te regiony regulacyjne są często wzbogacone o sygnały genetyczne powiązane ze zwiększonym ryzykiem zaburzeń neuropsychiatrycznych, takich jak schizofrenia czy choroba afektywna dwubiegunowa.
„Rozwój ludzkiego mózgu rozpoczyna się w czasie embriogenezy i trwa po urodzeniu, przez niemowlęctwo, dzieciństwo, okres dojrzewania i wczesną dorosłość” – mówi Panos Roussos, lekarz medycyny, profesor psychiatrii oraz genetyki i nauk genomicznych, dyrektor Centrum Neurogenomiki Chorób w Icahn Mount Sinai i starszy autor artykułu. „Biorąc pod uwagę zmienny wiek, w którym pojawiają się różne zaburzenia neurorozwojowe, niezwykle istotne jest zbadanie wpływu czynników ryzyka na całe spektrum rozwoju mózgu. Dzięki opracowaniu tego atlasu zyskaliśmy głębsze zrozumienie skomplikowanych mechanizmów regulacyjnych leżących u podstaw mózgu. rozwój i choroba”.
Praca ta była wspierana przez inicjatywę National Institutes of Health dotyczącą badań mózgu poprzez rozwój innowacyjnych neurotechnologii® (Inicjatywa BRAIN). Obszerny atlas jest teraz dostępny dla innych badaczy za pośrednictwem repozytorium internetowego, dzięki czemu inni mogą korzystać z danych, skutecznie je wizualizować i wykorzystywać do własnych badań. Artykuł wchodzi w skład pakietu 21 badań z zakresu nauki, postępów w nauce i medycyny translacyjnej, które szczegółowo przedstawiają badania przeprowadzone w ramach programu BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) uruchomionego w 2017 r. w ramach National Institutes of Health w celu stworzenia atlasu. mózgu człowieka i naczelnych na poziomie komórkowym z niespotykaną dotąd szczegółowością.
Na podłoże chorób neuropsychiatrycznych w wieku dorosłym często mogą wpływać zmiany w składzie komórkowym mózgu, które powstają w trakcie rozwoju. Oprócz stworzenia pierwszego atlasu rozwoju ludzkich komórek mózgowych w korze mózgowej, zespół badawczy nadał priorytet 152 genom ryzyka, które odgrywają rolę przyczynową w szeregu zaburzeń neuropsychiatrycznych. Ich odkrycia wykraczają poza istniejącą wiedzę i mapują typ komórek i czasowo specyficzne loci genetyczne powiązane z zaburzeniami neuropsychiatrycznymi. Odkryli na przykład, że zespół Tourette’a jest powiązany z oligodendrocytami, podczas gdy zaburzenie obsesyjno-kompulsyjne jest powiązane z astrocytami. Obydwa powiązania między chorobami i typami komórek były wcześniej nieznane, a odkrycia przyczyniają się do głębszego zrozumienia złożonych powiązań między różnymi typami komórek a zaburzeniami neuropsychiatrycznymi.
„Ważne jest, aby pamiętać, że najskuteczniejsze interwencje terapeutyczne powinny być dostosowane tak, aby ukierunkować niedobory w funkcjonowaniu genów na konkretnych etapach rozwoju” – mówi dr Jaroslav Bendl, adiunkt psychiatrii oraz genetyki i nauk genomicznych w Icahn Mount Sinai i współautor pracy. „Tylko w ten sposób będziemy w stanie zminimalizować dalsze szkody i poprawić wyniki osób dotkniętych tymi zaburzeniami”.
Po wykazaniu, że atlas rozwoju komórkowego w ludzkiej korze mózgowej jest możliwy, zespół rozszerza obecnie swoje badania, analizując większą kohortę próbek i obejmując różne obszary mózgu. W ten sposób mają na celu osiągnięcie większej rozdzielczości i głębsze zrozumienie skomplikowanych mechanizmów regulacyjnych, a także dalsze rozwikłanie złożonej logiki regulacyjnej leżącej u podstaw rozwoju mózgu i chorób.