「脳科学の新時代」: ソーク研究者が人間の脳細胞アトラスを公開

「脳科学の新時代」: ソークの研究者が人間の脳細胞アトラスを発表

NIH BRAIN イニシアチブの一部であるこの新しい研究は、脳障害の治療、予防、治癒への道を切り開く

ラホヤ--ソーク研究所の研究者らは、世界中の研究チームとの大規模な共同研究の一環として、人間のXNUMXつの脳から得たXNUMX万個以上の脳細胞を分析し、人間の脳を構成する数百種類の細胞のアトラスをかつてないほど詳細にまとめた。 。

この研究は雑誌の特別号に掲載されました 科学 13年2023月XNUMX日の実験は、もともとマウスで開発され適用されていた脳細胞のサブタイプを特定する技術が人間の脳に適用されたのは初めてである。

「これらの論文は、これらのアプローチが人間の脳サンプルで機能するかどうかの最初のテストを表しており、私たちはそれらがどれほどうまく翻訳されたかに興奮しました」と教授は言います。 ジョゼフ・エッカー、ソークのゲノム分析研究所の所長およびハワード・ヒューズ医学研究所の研究者。 「これはまさに脳科学の新時代の始まりであり、脳がどのように発達し、老化し、病気に影響されるのかをより深く理解できるようになるでしょう。」

この新しい研究は国立衛生研究所の研究成果の一部です。 革新的なニューロテクノロジーイニシアチブの推進による脳研究または BRAINイニシアチブは、哺乳類の脳にある多数の細胞をさまざまな手法で特徴づけるために 2014 年に開始された取り組みです。 ソークは XNUMX つの機関のうちの XNUMX つです 受賞した助成金 NIH BRAIN Initiative Cell Census Network のデータ生成における中心人物としての役割を果たします。 ビックン.

人間の脳内のすべての細胞には同じ配列の DNA が含まれていますが、異なる種類の細胞では、タンパク質の設計図として使用するために異なる遺伝子が RNA 鎖にコピーされます。 タンパク質がどの細胞に、そしてどのレベルで存在するかというこの究極のバリエーションにより、脳細胞の種類と脳の複雑さの膨大な多様性が可能になります。 どの細胞がどの DNA 配列に依存して機能しているかを知ることは、脳がどのように機能するかを理解するだけでなく、DNA の変異がどのように脳障害を引き起こすのか、そしてそれに関連してそれらの障害を治療する方法を理解するためにも重要です。

「私たちの技術を多数の頭脳にスケールアップすれば、これまでできなかった問題に取り組み始めることができるようになります。」と彼は言います。 マルガリータ・ベーレンス、ソークの計算神経生物学研究所の研究教授であり、新しい研究の共同主任研究者です。

2021 年、エッカーとベーレンスはソーク チームを率いて、 マウスの脳の161種類の細胞をプロファイルした、遺伝子がいつオンまたはオフになるかを指定する、DNA に沿ったメチル化学マーカーに基づいています。 メチル化と呼ばれるこの種の DNA 調節は、細胞のアイデンティティの XNUMX つのレベルです。

新しい論文では、研究者らは同じツールを使用して、500,000人の健康な成人男性臓器提供者の脳の46領域から採取した80万個以上の脳細胞のDNAメチル化パターンを決定した。 マウスの脳はどの動物でもほぼ同じであり、約 80 万個のニューロンを含んでいますが、人間の脳はさらに異なり、約 XNUMX 個のニューロンが含まれています。 十億 ニューロン。

「これはマウスから人間への大きな飛躍であり、克服しなければならない技術的な課題もいくつかあります」とベーレンス氏は言います。 「しかし、マウスで解明したことを人間の脳でも応用して、非常に質の高い結果を得ることができました。」

同時に研究者らは、各細胞内の DNA 分子の三次元構造を分析する XNUMX 番目の技術も使用して、どの DNA 配列が活発に使用されているかに関する追加情報を取得しました。 露出した DNA 領域は、しっかりと折り畳まれた DNA 領域よりも細胞によってアクセスされる可能性が高くなります。

「脳内のまったく新しいレベルの細胞型の粒度でこれらの動的なゲノム構造を観察し、それらの構造がどの細胞型でどの遺伝子が活性化するかをどのように制御するのかを調べたのは今回が初めてです」と、共同研究者の周静天氏は語る。新しい論文の筆頭著者であり、エッカー研究室の博士研究員。

の特集号にも研究が掲載されている他の研究チーム 科学 EckerとBehrensの研究の共著者であるBing Ren率いるカリフォルニア大学サンディエゴ校のグループもその中に含まれ、同じXNUMX人の人間の脳から採取した細胞を使って独自の細胞プロファイリング技術をテストした。 レン氏のチームは、特定の脳細胞タイプと、統合失調症、双極性障害、アルツハイマー病、大うつ病などの精神神経疾患との関連性を明らかにした。 さらに、チームはこれらの疾患のリスクを予測する人工知能ディープラーニングモデルを開発しました。

世界規模の共同研究に参加する他のグループは、細胞をサブタイプにグループ化するために RNA レベルを測定することに焦点を当てました。 研究グループは、エッカー氏とベーレンスのチームによるDNA研究に基づいて、各脳領域でどの遺伝子が活性化され、どの遺伝子がRNAに転写されるのかが高いレベルで一致していることを発見した。

新しいソーク研究は、人間の脳におけるこの技術の有効性をテストするパイロット研究として意図されているため、研究者らは、人間の脳で発見できる細胞の種類の数や、それらの細胞の種類がどのように異なるかについてはまだ結論を出せないと述べている。ネズミと人間。

「マウスでは見られないユニークな細胞型を人間で発見できる可能性は、本当に刺激的です」と、新しい論文の共同筆頭著者であり、エッカー研究室のスタッフ科学者であるウェイ・ティアン氏は言う。 「私たちは驚くべき進歩を遂げてきましたが、常にもっと疑問が残ります。」

2022 年、NIH Brain Initiative は、BICCN の取り組みをフォローアップする新しい BRAIN Initiative Cell Atlas Network (BICAN) を立ち上げました。 ソークでは、 BICANを通じて資金提供された新しいマルチオームヒト脳細胞アトラスセンター この研究の目的は、十数個の人間の脳の細胞を研究し、発達中、寿命中、病気に伴って脳がどのように変化するかについて質問することです。 エッカー教授は、より多くの脳に対するより詳細な研究により、特定の種類の脳細胞が脳の障害や疾患においてどのように異常をきたすのかをよりよく理解する道が開かれるだろうと述べている。

「私たちは生涯にわたって脳を完全に理解し、いつ、どのように、どの細胞型で病気が起こるかを正確に特定できるようになり、それらの有害な変化を予防または逆転できる可能性があることを望んでいます」とエッカー氏は言う。

BRAIN Initiative の紙パッケージ全体を見る こちら、世界中の共同研究者からの研究も含まれます。

この論文の他の著者は、Anna Bartlett、Qiurui Zeng、Hanqing Liu、Rosa G. Castanon、Mia Kenworthy、Jordan Altshul、Cynthia Valadon、Andrew Aldridge、Joseph R. Nery、Huaming Chen、Jiaying Xu、Nicholas D. Johnson、Jacinta Lucero です。 、ジュリア・K・オスティーン、ノラ・エマーソン、ジョン・リンク、ジャスパー・リー、ミシェル・リーム、ナオミ・クラフィー、ソークのカズ・オコナー。 カリフォルニア大学サンディエゴ校ルートヴィッヒ癌研究所のヤン・リー氏とビン・レン氏。 カロリンスカ研究所のキンバリー・シレッティ氏とステン・リンナーソン氏。 アレン脳科学研究所のアンナ・マリー・ヤニー、ジュリー・ナイハス、ニック・ディー、タマラ・キャスパー、ナディヤ・シャポバロワ、ダニエル・ハーシュシュタイン、レベッカ・ホッジ、ボアズ・P・リーヴァイ、エド・レイン。 とワシントン大学の C. ダーク・キーン。

この研究は、国立精神衛生研究所 (U01MH121282、UM1 MH130994、NIMH U01MH114812)、国立衛生研究所 BRAIN イニシアチブ (NCI CCSG: P30 014195)、ナンシーおよびバスター アルヴォルド基金、およびハワード ヒューズ メディカルからの助成金によって支援されました。研究所。

DOI： 10.1126/science.adf5357