Salk Institute leitet $126-Millionen-Dollar-Initiative zur Kartierung des alternden menschlichen Gehirns

22. September 2022

Salk Institute leitet $126-Millionen-Dollar-Initiative zur Kartierung des alternden menschlichen Gehirns

Größte Fördersumme in der Geschichte des Salk Instituts zur Einrichtung eines neuen Zentrums für multiomische menschliche Gehirnzellen-Atlas, um die vielen einzelnen Zellen, aus denen das menschliche Gehirn besteht, detailliert zu beschreiben – ihre molekularen Merkmale, wo sie vorkommen und wie sie sich mit dem Alter verändern

22. September 2022

LA JOLLA—Mit einer fünfjährigen, $126 Millionen Dollar schweren Förderung der National Institutes of Health (NIH) hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Salk Institute ein neues Zentrum für einen multioomischen Atlas menschlicher Gehirnzellen ins Leben gerufen. Teil des NIH’s Gehirnforschung durch fortschrittliche innovative Neurotechnologien® (BRAIN) Initiative, Das Projekt zielt darauf ab, die Zellen des menschlichen Gehirns in beispiellosem molekularem Detail zu beschreiben, Gehirnzellen in präzisere Subtypen zu klassifizieren und den Ort jeder Zelle im Gehirn zu bestimmen. Darüber hinaus wird das Team verfolgen, wie sich diese Merkmale von der frühen bis ins späte Leben verändern.

Ziel ist es, ein besseres Verständnis dafür zu entwickeln, wie neurotypische menschliche Gehirne funktionieren und altern. Das Projekt wird auch einen Referenzwert schaffen, mit dem Wissenschaftler Gehirne mit neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen wie Alzheimer, Autismus, Depression und traumatischen Hirnverletzungen vergleichen können.

“Die von uns entwickelte Gehirnkarte könnte Krankheitsforschern in die richtige Richtung weisen – wir könnten zum Beispiel sagen: ‘Das ist die Region des Genoms in dieser spezifischen Untergruppe von Neuronen in diesem Teil des Gehirns, in der ein molekulares Ereignis schiefgeht und diese Krankheit verursacht’, sagt der Leiter des Zentrums, Professor Joseph Ecker, Direktor des Genomic Analysis Laboratory am Salk und Howard Hughes Medical Institute Investigator. “Und letztendlich könnte diese Information uns helfen, Gentherapien zu entwickeln, die nur die Zellpopulationen ansprechen, bei denen die Behandlung erforderlich ist – indem sie die richtigen Gene an den richtigen Ort zur richtigen Zeit liefern.”

Zusätzlich zu Ecker umfasst das Zentrum für multiomische Human-Gehirnzellatlas Margarita Behrens, Forschungsprofessor am Salk Institute, Bing Ren von der UC San Diego, Xiangmin Xu von der UC Irvine und Ting Wang von der Washington University in St. Louis.

Salk wird mit rund $77 Millionen Dollar aus der Finanzierung des Zentrums ausgezeichnet, was der größten Einzelsitzung entspricht, die das Institut in seiner 62-jährigen Geschichte erhalten hat.

Anfänge

Das Center for Multiomic Human Brain Cell Atlas, Teil des neuen BRAIN Initiative Cell Atlas Network der NIH, baut auf einer fünfjährigen Anstrengung auf, das Mausgehirn zu kartografieren, einem Projekt, das als BRAIN Initiative Cell Census Network bekannt war. Eine Sonderausgabe von Natur veröffentlicht im Oktober 2021 beschrieb die Ergebnisse dieser Bemühungen, einschließlich wie verschiedene Zelltypen im gesamten Gehirn der Maus organisiert und miteinander verbunden sind.

“Ähnlich wie wir durch kurze Mondflüge etwas über die Raumfahrt gelernt haben, hat uns das Maus-Hirn-Mapping-Projekt viel darüber gelehrt, wie wir mit einem viel größeren Gehirn umgehen können und welche Art von genomischen Informationen wir benötigen würden, um das menschliche Gehirn wirklich kartieren zu können”, sagt Behrens. “Dieses Projekt ist ein Beispiel dafür, wie fruchtbar Teamarbeit in der Wissenschaft sein kann – diese Art von Projekten kann nicht in einem einzigen Labor durchgeführt werden.”

Kartierung des menschlichen Gehirns

Im Zentrum für Multiomik-Atlas menschlicher Gehirnzellen werden Forscher 1.500 Gehirnproben untersuchen (30 menschliche Gehirne unterschiedlichen Alters, jeweils 50 Regionen). Das Zentrum befasst sich hauptsächlich mit Epigenetik – den molekularen Ereignissen, die beeinflussen, ob Gene in einem bestimmten Zelltyp oder zu einer bestimmten Zeit “an” oder “aus” geschaltet werden – und nicht mit den genetischen Sequenzen jeder Zelle. Das Zentrum wird auch berücksichtigen, welche Zellen wo leben. Standort ist wichtig, weil Zellen miteinander kommunizieren, sagt Ecker.

UC Irvine-Teammitglieder werden hauptsächlich die Gewinnung von Gehirnproben übernehmen. Salk-Wissenschaftler werden jeden Zellkern aus jeder einzelnen Zelle in jeder Region isolieren und molekulare Details aufzeichnen, wie z. B. die Chromatinarchitektur und die DNA-Methylierung (d. h. die 3D-Struktur von Chromosomen und wie sie mit chemischen Markierungen modifiziert werden). An der UC San Diego wird Rens Labor Chromatinmodifikationen und Genexpression untersuchen.

“Im Wesentlichen wollen wir Millionen, ja Hunderte von Millionen von Gehirnzellen nehmen, alles lernen, was wir über ihre Epigenetik und die Anordnung ihres Chromatins wissen können, und sie in einen räumlichen Kontext projizieren, damit wir sehen können, wo diese Zellen leben und verstehen, wie alle Zellen in jeder Gehirnregion und in jedem Alter organisiert sind”, sagt Ecker, der auch den Salk International Council Chair in Genetik innehat.

“Zurzeit haben wir praktisch keine Daten dieser Art für das menschliche Gehirn.”

Technologie und Daten

Normalerweise wird die Zelle, wenn Forscher eine einzelne Zelle untersuchen, aus dem Rest des Gehirns entfernt, was die Schlussfolgerungen einschränkt. Um dies zu überwinden, wird Eckers Team eine neuere Technik namens räumliche Transkriptomik anwenden, um Zellen anhand ihrer genetischen Daten zu unterscheiden und diese Informationen zu nutzen, um die Zellen an ihren ursprünglichen Standort zurückzuverfolgen.

Viele der anderen Techniken, die das Team anwenden wird, wurden von den Forschern selbst entwickelt. Eckers Team beispielsweise entwickelte fünf Jahre lang snmCATseq, eine Technologie, die gleichzeitig DNA, RNA und offenes Chromatin aus einer einzelnen Zelle analysiert.

Ecker schätzt, dass sein Labor allein während des Projekts 11 Petabyte Rohdaten generieren wird – das entspricht 171.875 USB-Sticks (jeweils 64 GB) –, was die Expertise und die Ressourcen des Zentrums für computergestützte Biologie sowie für Datenspeicherung und -analyse unterstreicht. Die Mitglieder des Washington University-Teams werden für die Datenverwaltung und -integration verantwortlich sein.

“Mit der Bekanntgabe der BICAN-Auszeichnungen vollziehen wir einen spannenden Übergang im gesamten Zellkartierungsprogramm der BRAIN-Initiative, das 2014 begann”, sagte John Ngai, Direktor der NIH BRAIN-Initiative. “Diese Auszeichnungen werden es Forschern ermöglichen, die vielfältigen Eigenschaften der mehr als 200 Milliarden Neuronen und nicht-neuronalen Zellen im menschlichen Gehirn in beispiellosem Detail und Umfang zu untersuchen – eine Leistung durch fortgeschrittene Technologien und die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Teams, die neue Paradigmen für das Verständnis aufdecken wird, wie pathologische Veränderungen in bestimmten Gruppen von Gehirnzellen neurologische und neuropsychiatrische Erkrankungen verursachen können.

Über die NIH BRAIN Initiative:

Die NIH Gehirnforschung durch fortschrittliche innovative Neurotechnologien Die BRAIN Initiative ist eine groß angelegte Anstrengung, die darauf abzielt, das Verständnis der Funktionsweise des menschlichen Gehirns zu vertiefen und die Behandlung, Prävention und Heilung von Gehirnstörungen zu verbessern. Seit ihrer anfänglichen Finanzierung im Jahr 2014 hat die BRAIN Initiative Forschungsgelder in Höhe von mehr als $2,4 Milliarden vergeben. Das BRAIN Cell Census Network (Maus-Gehirnkarte) und das BRAIN Cell Atlas Network (Mensch-Gehirnkarte) sind Teilmengen der BRAIN Initiative.

Über das Salk Institute for Biological Studies:

Jede Heilung hat ihren Anfang. Das Salk Institute verkörpert Jonas Salks Mission, Träume kühn in die Realität umzusetzen. Seine international renommierten und preisgekrönten Wissenschaftler erforschen die fundamentalen Grundlagen des Lebens und suchen nach neuen Erkenntnissen in den Bereichen Neurowissenschaften, Genetik, Immunologie, Pflanzenbiologie und vielen mehr. Das Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen: bewusst klein, von Natur aus intim und furchtlos angesichts jeder Herausforderung. Ob Krebs oder Alzheimer, Altern oder Diabetes – am Salk Institute beginnen Heilungen. Erfahren Sie mehr unter: salk.edu.