Los equipos de Salk elaboran el primer atlas epigenómico completo de células del cerebro de ratón

13 de diciembre de 2023

Los equipos de Salk elaboran el primer atlas epigenómico completo de células del cerebro de ratón

Los investigadores de Salk catalogan todos los cambios químicos en la estructura genética que orquestan el comportamiento celular en el cerebro del ratón, produciendo el atlas más detallado jamás creado sobre la diversidad y las conexiones de las neuronas en el cerebro del ratón.

13 de diciembre de 2023

LA JOLLA—Los investigadores del Instituto Salk, como parte de una iniciativa mundial para revolucionar la comprensión científica del cerebro, analizaron más de 2 millones de células cerebrales de ratones para ensamblar el atlas más completo jamás creado sobre el cerebro del ratón. Su trabajo, publicado el 13 de diciembre de 2023 en un número especial de Naturaleza, no solo detalla los miles de tipos de células presentes en el cerebro, sino también cómo se conectan esas células y los genes y programas reguladores que están activos en cada célula.

Los esfuerzos fueron coordinados por los Institutos Nacionales de Salud Investigación del cerebro mediante el avance de la iniciativa de neurotecnologías® innovadoras, o el Iniciativa CEREBRO®, cuyo objetivo final es producir una imagen nueva y dinámica del cerebro de los mamíferos.

"Con este trabajo, no sólo hemos obtenido mucha información sobre qué células componen el cerebro del ratón, sino también cómo se regulan los genes dentro de esas células y cómo eso impulsa las funciones de las células", dice el profesor Salk, presidente del Consejo Internacional de Genética e investigador del Instituto Médico Howard Hughes José Ecker, quien contribuyó a cuatro de los nuevos artículos. "Cuando se toma este atlas celular basado en el epigenoma y se empieza a observar las variantes genéticas que se sabe que causan enfermedades humanas, se obtienen nuevos conocimientos sobre qué tipos de células pueden ser más vulnerables a la enfermedad".

La Iniciativa NIH BRAIN se lanzó en 2014 y ha proporcionado más de 3 mil millones de dólares en financiación a investigadores para desarrollar tecnologías transformadoras y aplicarlas a la ciencia del cerebro.

En 2021, investigadores apoyados por la Iniciativa BRAIN, incluidos equipos de Salk, dieron a conocer el primer borrador del atlas del cerebro del ratón, que fue pionero en nuevas herramientas para caracterizar neuronas y aplicó esas herramientas a pequeñas secciones del cerebro del ratón. A principios de este año, se utilizaron muchas de las mismas técnicas para montar un atlas inicial del cerebro humano. En el último trabajo, los investigadores ampliaron el número de células estudiadas y qué áreas del cerebro del ratón se incluyeron, además de utilizar nuevas tecnologías unicelulares que han surgido en los últimos años.

"Esto es todo el cerebro, algo que no se había hecho antes", dice el profesor eduardo callaway, autor principal de dos de los nuevos artículos. "Hay ideas y principios que surgen al observar todo el cerebro que no se conocen al observar una parte a la vez".

Para ayudar a otros investigadores que estudian el cerebro del ratón, los nuevos datos están disponibles públicamente a través de una plataforma en línea, que no solo se puede buscar en una base de datos sino también mediante la herramienta de inteligencia artificial ChatGPT.

"Existe una comunidad increíblemente grande de personas que utilizan ratones como organismos modelo y esto les proporciona una nueva herramienta increíblemente poderosa para utilizar en sus investigaciones sobre el cerebro del ratón", añade margarita behrens, un profesor de investigación de Salk que participó en los cuatro nuevos artículos.

El número especial de Nature tiene un total de 10 artículos de la Iniciativa NIH BRAIN, incluidos cuatro escritos en coautoría por investigadores de Salk que describen las células del cerebro del ratón y sus conexiones. Algunos aspectos destacados de estos cuatro artículos incluyen:

Atlas de metilación del ADN unicelular

Para determinar todos los tipos de células en el cerebro del ratón, los investigadores de Salk emplearon técnicas de vanguardia que analizan una célula cerebral individual a la vez. Estos métodos unicelulares estudiaron tanto la estructura tridimensional del ADN dentro de las células como el patrón de los grupos químicos metílicos unidos al ADN, dos formas diferentes en que las células controlan los genes. En 2019, el grupo de laboratorio de Ecker Enfoques pioneros para realizar simultáneamente estas dos mediciones., lo que permite a los investigadores determinar no sólo qué programas genéticos se activan en diferentes tipos de células, sino también cómo se activan y desactivan estos programas.

El equipo encontró ejemplos de genes que se activaban en diferentes tipos de células pero de diferentes maneras, como poder encender o apagar una luz con dos interruptores diferentes. Comprender estos circuitos moleculares superpuestos facilita a los investigadores el desarrollo de nuevas formas de intervenir en las enfermedades cerebrales.

"Si se pueden comprender todos los elementos reguladores que son importantes en estos tipos de células, también se pueden comenzar a comprender las trayectorias de desarrollo de las células, lo que resulta fundamental para comprender los trastornos del neurodesarrollo como el autismo y la esquizofrenia", afirma Hanqing Liu, investigador postdoctoral. en el laboratorio de Ecker y primer autor de este artículo.

Los investigadores también hicieron nuevos descubrimientos sobre qué áreas del cerebro contienen qué tipos de células. Y al catalogar esos tipos de células, descubrieron además que el tronco del encéfalo y el mesencéfalo tienen muchos más tipos de células que la corteza cerebral, mucho más grande, lo que sugiere que estas partes más pequeñas del cerebro pueden haber evolucionado para cumplir más funciones.

Otros autores de este artículo incluyen a Qiurui Zeng, Jingtian Zhou, Anna Bartlett, Bang-An Wang, Peter Berube, Wei Tian, ​​Mia Kenworthy, Jordan Altshul, Joseph Nery, Huaming Chen, Rosa Castanon, Jacinta Lucero, Julia Osteen, Antonio Pinto- Duarte, Jasper Lee, Jon Rink, Silvia Cho, Nora Emerson, Michael Nunn, Carolyn O'Connor y Jesse Dixon de Salk; Yang Eric Li, Songpeng Zu y Bing Ren de UC San Diego; Zhanghao Wu e Ion Stoica de UC Berkley; Zizhen Yao, Kimberly Smith, Bosiljka Tasic y Hongkui Zeng del Instituto Allen; y Chongyuan Luo de UC Los Ángeles.

Mapas de cromatina unicelulares

Otra forma de determinar indirectamente la estructura del ADN y qué tramos de material genético están siendo utilizados activamente por las células es probar qué ADN es físicamente accesible para otras moléculas que pueden unirse a él. Utilizando este enfoque, llamado accesibilidad a la cromatina, los investigadores dirigidos por Bing Ren de la Universidad de California en San Diego, incluidos Ecker y Behrens de Salk, mapearon la estructura del ADN en 2.3 millones de células cerebrales individuales de 117 ratones.

Luego, el grupo utilizó inteligencia artificial para predecir, basándose en esos patrones de accesibilidad a la cromatina, qué partes del ADN actuaban como reguladores generales de los estados de las células. Muchos de los elementos reguladores que identificaron se encontraban en tramos de ADN que ya han sido implicados en enfermedades del cerebro humano; El nuevo conocimiento sobre exactamente qué tipos de células utilizan qué elementos reguladores puede ayudar a determinar qué células están implicadas en qué enfermedades.

Otros autores de este artículo incluyen a los coautores Songpeng Zu, Yang Eric Li y Kangli Wang de UC San Diego; Ethan Armand, Sainath Mamde, Maria Luisa Amaral, Yuelai Wang, Andre Chu, Yang Xie, Michael Miller, Jie Xu, Zhaoning Wang, Kai Zhang, Bojing Jia, Xiaomeng Hou, Lin Lin, Qian Yang, Seoyeon Lee, Bin Li, Samantha Kuan, Zihan Wang, Jingbo Shang, Allen Wang y Sebastian Preissl de UC San Diego, Hanqing Liu, Jingtian Zhou, Antonio Pinto-Duarte, Jacinta Lucero, Julia Osteen y Michael Nunn de Salk; y Kimberly Smith, Bosiljka Tasic, Zizhen Yao y Hongkui Zeng del Instituto Allen.

Proyecciones y conexiones neuronales.

En otro artículo, del que son coautores Behrens, Callaway y Ecker, los investigadores mapearon las conexiones entre las neuronas en todo el cerebro del ratón. Luego, analizaron cómo se comparaban estos mapas con los patrones de metilación dentro de las células. Esto les permitió descubrir qué genes son responsables de guiar las neuronas a qué áreas del cerebro.

"Descubrimos ciertas reglas que dictan hacia dónde se proyecta una célula en función de sus patrones de metilación del ADN", dice Jingtian Zhou, investigador postdoctoral en el laboratorio de Ecker y coprimer autor del artículo.

Las conexiones entre las neuronas son fundamentales para su función y este nuevo conjunto de reglas puede ayudar a los investigadores a estudiar qué falla en las enfermedades.

Otros autores de este artículo incluyen al coautor Zhuzhu Zhang de Salk; May Wu, Hangqing Liu, Yan Pang, Anna Bartlett, Wubin Ding, Angeline Rivkin, Will Lagos, Elora Williams, Cheng-Ta Lee, Paula Assakura Miyazaki, Andrew Aldridge, Qiurui Zeng, JL Angelo Salida, Naomi Claffey, Michelle Liem, Conor Fitzpatrick, Lara Boggeman, Jordan Altshul, Mia Kenworthy, Cynthia Valadon, Joseph Nery, Rosa Castanon, Neelakshi Patne, Minh Vu, Mohammed Rashid, Matthew Jacobs, Tony Ito, Julia Osteen, Nora Emerson, Jasper Lee, Silvia Cho, Jon Rink, Hsiang-Hsuan Huang, António Pinto-Duarte, Bertha Domínguez, Jared Smith, Carolyn O'Connor y Kuo-Fen Lee de Salk; Zhihao Peng de la Universidad de Nanchang en China; Zizhen Yao, Kimberly Smith, Bosiljka Tasic y Hongkui Zeng del Instituto Allen; Shengbo Chen de la Universidad de Henan en China; Eran Mukamel de UC San Diego; y Xin Jin de la Universidad Normal del Este de China en China y la Universidad de Nueva York en Shanghai.

Comparación de las cortezas motoras de ratones, monos y humanos

La corteza motora es la parte del cerebro de los mamíferos implicada en la planificación y ejecución de los movimientos corporales voluntarios. Los investigadores dirigidos por Behrens, Ecker y Ren estudiaron los patrones de metilación y la estructura del ADN en más de 200,000 células de las cortezas motoras de humanos, ratones y primates no humanos para comprender mejor cómo las células de la corteza motora han cambiado a lo largo de la evolución humana.

Pudieron identificar correlaciones entre cómo han evolucionado determinadas proteínas reguladoras y cómo, a su vez, evolucionaron los patrones de expresión de los genes. También descubrieron que casi el 80 por ciento de los elementos reguladores que son exclusivos de los humanos son elementos transponibles: pequeñas secciones móviles de ADN que pueden cambiar fácilmente de posición dentro del genoma.

Otros autores de este artículo incluyen a los coautores Nathan Zemke y Ethan Armand de UC San Diego; Wenliang Wang, Jingtian Zhou, Hanqing Liu, Wei Tian, ​​Joseph Nery, Rosa Castanon, Anna Bartlett, Julia Osteen, Jonathan Rink y Edward Callaway de Salk; Seoyeon Lee, Yang Eric Li, Lei Chang, Keyi Dong, Hannah Indralingam, Yang Xie y Michael Miller de UC San Diego; Daofeng Li, Xiaoyu Zhuo, Vincent Xu y Ting Wang de la Universidad de Washington en Missouri; Fenna Krienen de la Universidad de Princeton y la Facultad de Medicina de Harvard; Qiangge Zhang y Guoping Feng del Broad Institute y el MIT; Steven McCarroll de la Facultad de Medicina de Harvard y del Broad Institute; y Naz Taskin, Jonathan Ting y Ed Lein del Instituto Allen y la Universidad de Washington en Seattle.

Resumen

"Creo que, en general, todo este paquete sirve como modelo para futuros estudios de otras personas", dice Callaway, también catedrático Vincent J. Coates de Neurobiología Molecular en Salk. “Alguien que estudie un tipo de célula en particular ahora puede observar nuestros datos y ver todas las formas en que esas células se conectan y todas las formas en que están reguladas. Es un recurso que permite a las personas hacer sus propias preguntas”.

El trabajo fue apoyado por la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud (U19MH11483, U19MH114831-04s1, 5U01MH121282, UM1HG011585, U19MH114830).

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Visite los 10 artículos del paquete Naturaleza esta página.

Título de la revista: Naturaleza
Título del trabajo: Metiloma de ADN unicelular y atlas multiómico 3D del cerebro de un ratón adulto
Autores: Hanqing Liu, Qiurui Zeng, Jingtian Zhou, Anna Bartlett, Bang-An Wang, Peter Berube, Wei Tian, ​​Mia Kenworthy, Jordan Altshul, Joseph R. Nery, Huaming Chen, Rosa G. Castanon, Songpeng Zu, Yang Eric Li, Jacinta Lucero, Julia K. Osteen, António Pinto-Duarte, Jasper Lee, Jon Rink, Silvia Cho, Nora Emerson, Michael Nunn, Carolyn O'Connor, Zhanghao Wu, Ion Stoica, Zizhen Yao, Kimberly A. Smith, Bosiljka Tasic, Chongyuan Luo, Jesse R. Dixon, Hongkui Zeng, Bing Ren, M. Margarita Behrens, Joseph R Ecker
DOI: 10.1038/s41586-019-0000-0

Título de la revista: Naturaleza
Título del trabajo: Análisis unicelular de la accesibilidad a la cromatina en cerebro de ratón adulto
Autores: Songpeng Zu, Yang Eric Li, Kangli Wang, Ethan Armand, Sainath Mamde, Maria Luisa Amaral, Yuelai Wang, Andre Chu, Yang Xie, Michael Miller, Jie Xu, Zhaoning Wang, Kai Zhang, Bojing Jia, Xiaomeng Hou, Lin Lin, Qian Yang, Seoyeon Lee, Bin Li, Samantha Kuan, Hanqing Liu, Jingtian Zhou, Antonio Pinto-Duarte, Jacinta Lucero, Julia Osteen, Michael Nunn, Kimberly A. Smith, Bosiljka Tasic, Zizhen Yao, Hongkui Zeng, Zihan Wang, Jingbo Shang, M. Margarita Behrens, Joseph R. Ecker, Allen Wang, Sebastian Preissl, Bing Ren
DOI: 10.1038/s41586-023-06824-9

Título de la revista: Naturaleza
Título del trabajo: Correspondencia en todo el cerebro entre la epigenómica neuronal y las proyecciones a larga distancia
Autores: Jingtian Zhou, Zhuzhu Zhang, May Wu, Hanqing Liu, Yan Pang, Anna Bartlett, Zhihao Peng, Wubin Ding, Angeline Rivkin, Will N. Lagos, Elora Williams, Cheng-Ta Lee, Paula Assakura Miyazaki, Andrew Aldridge, Qiurui Zeng, JL Angelo Salinda, Naomi Claffey, Michelle Liem, Conor Fitzpatrick, Lara Boggeman, Zizhen Yao, Kimberly A. Smith, Bosiljka Tasic, Jordan Altshul, Mia A. Kenworthy, Cynthia Valadon, Joseph R. Nery, Rosa G. Castanon, Neelakshi S Patne, Minh Vu, Mohammad Rashid, Matthew Jacobs, Tony Ito, Julia Osteen, Nora Emerson, Jasper Lee, Silvia Cho, Jon Rink, Hsiang-Hsuan Huang, António Pinto-Duarte, Bertha Dominguez, Jared B. Smith, Carolyn O 'Connor, Hongkui Zeng, Shengbo Chen, Kuo-Fen Lee, Eran A. Mukamel, Xin Jin, M. Margarita Behrens, Joseph R. Ecker, Edward M. Callaway
DOI: 10.1038/s41586-019-0000-0

Título de la revista: Naturaleza
Título del trabajo: Programas reguladores de genes conservados y divergentes de la neocorteza de los mamíferos.
Autores: Nathan R. Zemke, Ethan J. Armand, Wenliang Wang, Seoyeon Lee, Jingtian Zhou, Yang Eric Li, Hanqing Liu, Wei Tian, ​​Joseph R. Nery, Rosa G. Castanon, Anna Bartlett, Julia K. Osteen, Daofeng Li, Xiaoyu Zhuo, Vincent Xu, Lei Chang, Keyi Dong, Hannah Indralingam, Jonathan A. Rink, Yang Xie, Michael Miller, Fenna M. Krienen, Qiangge Zhang, Naz Taskin, Jonathan Ting, Guoping Feng, Steven A. McCarroll, Edward M Callaway, Ting Wang, Ed S. Lein, M. Margarita Behrens, Joseph R. Ecker, Bing Ren
DOI: 10.1038/s41586-023-06819-6