Studie findet einen Flickenteppich genetischer Variation im Gehirn

1. November 2013

Studie findet einen Flickenteppich genetischer Variation im Gehirn

Salk-Wissenschaftler stellen einen überraschenden Grad an Variation zwischen den Genomen einzelner Neuronen desselben Gehirns fest

1. November 2013

LA JOLLA, CA – Früher glaubte man, dass jede Zelle im Körper eines Menschen den gleichen DNA-Code besitzt und dass die besondere Art und Weise, wie das Genom gelesen wird, die Zellfunktion bestimmt und das Individuum definiert. Für viele Zelltypen in unserem Körper ist das jedoch eine zu starke Vereinfachung. In den letzten zehn Jahren veröffentlichte Studien zu neuronalen Genomen haben zusätzliche oder fehlende Chromosomen oder DNA-Stücke ergeben, die sich im gesamten Genom kopieren und einfügen können.

Die einzige Möglichkeit, sicher zu wissen, dass Neuronen derselben Person einzigartige DNA enthalten, besteht darin, die Genome einzelner Zellen anstelle von Massenzellpopulationen zu profilieren, wobei letztere einen Durchschnitt ergeben. Mithilfe der Einzelzellsequenzierung haben Forscher des Salk Institute und ihre Mitarbeiter nun gezeigt, dass sich die genomischen Strukturen einzelner Neuronen noch stärker als erwartet unterscheiden. Die Ergebnisse wurden am 1. November 2013 in veröffentlicht Forschung.

„Anders als wir einst dachten, ist die genetische Ausstattung der Neuronen im Gehirn nicht identisch, sondern besteht aus einem Flickenteppich aus DNA“, sagt der korrespondierende Autor Fred Gage, Salks Vi und John Adler Lehrstuhl für Forschung zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen.

In der Studie unter der Leitung von Mike McConnell, ein ehemaliger Junior Fellow in der Crick-Jacobs-Zentrum für Theoretische und Computerbiologie Am Salk isolierten Forscher posthum etwa 100 Neuronen von drei Menschen. Die Wissenschaftler betrachteten das gesamte Genom auf einer übergeordneten Ebene – sie suchten nach großen Deletionen und Duplikationen der DNA, sogenannten Copy Number Variations oder CNVs – und stellten fest, dass bis zu 41 Prozent der Neuronen mindestens ein einzigartiges, massives CNV aufwiesen, das spontan entstand. Das heißt, es wurde nicht von einem Elternteil weitergegeben. Das Team fand heraus, dass die CNVs im gesamten Genom verteilt sind.

Die winzige DNA-Menge in einer einzelnen Zelle muss viele Male chemisch verstärkt werden, bevor sie sequenziert werden kann. Da dieser Prozess technisch anspruchsvoll ist, hat das Team ein Jahr damit verbracht, potenzielle Fehlerquellen im Prozess auszuschließen.

„Ein großer Teil unserer Studie bestand darin, Kontrollexperimente durchzuführen, um zu zeigen, dass es sich hierbei nicht um ein Artefakt handelt“, sagt Gage. „Wir mussten das tun, weil es eine große Überraschung war – herauszufinden, dass einzelne Neuronen im Gehirn unterschiedliche DNA-Inhalte haben.“

Die Gruppe fand eine ähnliche Variabilität der CNVs innerhalb einzelner Neuronen, die aus den Hautzellen von drei gesunden Menschen stammen. Wissenschaftler verwenden solche induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) routinemäßig, um lebende Neuronen in einer Kulturschale zu untersuchen. Da iPSCs aus einzelnen Hautzellen stammen, könnte man erwarten, dass ihre Genome gleich sind.

„Das Überraschende ist, dass das nicht der Fall ist“, sagt Gage. „Es gibt eine ganze Reihe einzigartiger Deletionen und Amplifikationen im Genom von Neuronen, die von einer iPSC-Linie stammen.“

Interessanterweise unterscheiden sich die Hautzellen selbst genetisch, wenn auch nicht annähernd so stark wie die Neuronen. Dieser Befund sowie die Tatsache, dass die Neuronen über einzigartige CNVs verfügten, legen nahe, dass die genetischen Veränderungen später in der Entwicklung auftreten und nicht von den Eltern vererbt oder an die Nachkommen weitergegeben werden.

Es macht Sinn, dass Neuronen vielfältigere Genome haben als Hautzellen, sagt McConnell, der jetzt Assistenzprofessor für Biochemie und Molekulargenetik an der Universität ist Medizinische Fakultät der University of Virginia in Charlottesville. „Das Besondere an Neuronen ist, dass sie sich im Gegensatz zu Hautzellen nicht umdrehen und miteinander interagieren“, sagt er. „Sie bilden diese großen komplexen Schaltkreise, in denen eine Zelle, die über CNVs verfügt, die sie unterscheiden, möglicherweise einen netzwerkweiten Einfluss auf ein Gehirn haben kann.“

Spontan auftretende CNVs wurden auch mit einem Risiko für Hirnerkrankungen wie Schizophrenie und Autismus in Verbindung gebracht, aber diese Studien bündeln normalerweise viele Blutzellen. Infolgedessen betreffen die in diesen Studien aufgedeckten CNVs viele, wenn nicht alle Zellen, was darauf hindeutet, dass sie früh in der Entwicklung entstehen.

Der Zweck von CNVs im gesunden Gehirn ist noch unklar, aber Forscher haben einige Ideen. Die Veränderungen könnten den Menschen helfen, sich im Laufe ihres Lebens an neue Umgebungen anzupassen, oder sie könnten uns helfen, eine massive Virusinfektion zu überleben. Die Wissenschaftler erarbeiten Möglichkeiten, die genomische Variabilität in iPSC-abgeleiteten Neuronen zu verändern und sie in der Kulturschale auf spezifische Weise herauszufordern.

Zellen mit unterschiedlichen Genomen produzieren wahrscheinlich einzigartige RNA und dann Proteine. Derzeit kann jedoch nur eine Sequenzierungstechnologie auf eine einzelne Zelle angewendet werden.

„Wenn mehr als eine Methode auf eine Zelle angewendet werden kann, können wir auf vorhersehbare Weise sehen, ob Zellen mit unterschiedlichen Genomen unterschiedliche Transkriptome (die Ansammlung der gesamten RNA in einer Zelle) haben“, sagt McConnell.

Darüber hinaus wird es notwendig sein, viel mehr Zellen und insbesondere mehr Zelltypen zu sequenzieren, bemerkt der entsprechende Autor Ira Halle, außerordentlicher Professor für Biochemie und Molekulargenetik an der University of Virginia. „Es gibt noch viel zu tun, um wirklich zu verstehen, inwieweit wir denken, dass die Dinge, die wir gefunden haben, neuronenspezifisch sind oder mit verschiedenen Parametern wie Alter oder Genotyp zusammenhängen“, sagt er.

Weitere Autoren der Studie sind Michael Lindberg und Svetlana Shumilina von der Abteilung für Biochemie und Molekulargenetik an der University of Virginia School of Medicine; Kristen Brennand, jetzt bei der Icahn School of Medicine am Berg Sinai in New York; Julia Piper, jetzt bei Harvard University in Cambridge, Massachusetts; Thierry Voet und Joris Vermeesch von der Zentrum für Humangenetik, KU Leuven, Leuven, Belgien; Chris Cowing-Zitron von Salk's Labor für Genetik; und Roger Lasken von der J. Craig Venter Institut in San Diego.

Diese Arbeit wurde unterstützt von der Crick-Jacobs-Zentrum für Theoretische und Computerbiologie, der G. Harold & Leila Y. Mathers Stiftung, der National Institutes of Health, der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, der JPB-Stiftungund der Burroughs Wellcome Fund.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.