인간의 두뇌 발달 과정에서 확인된 고유한 후성유전학적 코드

인간의 두뇌 발달 과정에서 확인된 고유한 후성유전학적 코드

Salk 발견은 뇌 회로 형성 중에 발생하는 후생유전체의 역동적인 변화를 밝힙니다.

LA JOLLA,CA - DNA의 화학적 변형을 포함하여 후성유전체의 변화는 게놈에서 추가 정보 계층으로 작용할 수 있으며 학습 및 기억뿐만 아니라 연령 관련 인지 저하에 역할을 하는 것으로 생각됩니다. Salk Institute for Biological Studies의 과학자들이 수행한 새로운 연구 결과에 따르면 특정 유형의 후생유전학적 변형인 DNA 메틸화의 풍경은 출생에서 성인기로 전환하는 동안 뇌 세포에서 매우 역동적이며 뇌 세포의 게놈은 태아 발달에서 성인기에 이르기까지 제어됩니다. 뇌는 신체의 다른 모든 기관보다 훨씬 더 복잡하며 이 발견은 뇌의 복잡한 연결 패턴이 어떻게 형성되는지에 대한 더 깊은 이해의 문을 열어줍니다.

"이 결과는 뇌 발달과 기능에서 DNA 메틸화의 독특한 역할에 대한 우리의 지식을 확장합니다."라고 수석 저자는 말했습니다. 조셉 R. 에커, Salk's의 교수 겸 이사 유전체 분석 연구실 유전학에서 Salk 국제 협의회 의장의 소유자입니다. "그들은 건강한 기능과 신경 회로의 병리학적 장애에서 후생유전체의 역할을 테스트하기 위한 새로운 프레임워크를 제공합니다."

왼쪽부터: Marga Behrens, Eran Mukamel, Terry Sejnowski, Joseph Ecker

이미지: Salk Institute for Biological Studies 제공

건강한 뇌는 오랜 발달 과정의 산물입니다. 전두엽 피질이라고 불리는 뇌의 가장 앞쪽 부분은 생각하고, 결정하고, 행동하는 능력에서 핵심적인 역할을 합니다. 뇌는 뉴런과 신경교세포와 같은 특수 세포의 상호작용을 통해 이 모든 것을 수행합니다. 우리는 이 세포들이 서로 다른 기능을 가지고 있다는 것을 알고 있지만, 이 세포들에게 개별적인 정체성을 부여하는 것은 무엇입니까? 답은 각 세포가 DNA에 포함된 정보를 어떻게 표현하는지에 있습니다. DNA 메틸화와 같은 후성유전체적 변형은 DNA 알파벳(ATCG)의 문자를 변경하지 않고 어떤 유전자를 켜거나 끌지 제어할 수 있으므로 서로 다른 세포 유형을 구별하는 데 도움이 됩니다.

4년 2013월 XNUMX일에 발표된 이 새로운 연구에서 과학, 과학자들은 시냅스 또는 신경 세포 사이의 연결이 빠르게 성장하는 발달 시기에 쥐와 인간 두뇌의 전두엽 피질에서 DNA 메틸화 패턴이 광범위하게 재구성된다는 것을 발견했습니다. 연구자들은 유아에서 성인에 이르기까지 뇌의 게놈 전체에서 DNA 메틸화의 정확한 위치를 확인했습니다. 그들은 DNA 메틸화의 한 형태가 태어날 때부터 뉴런과 아교세포에 존재한다는 것을 발견했습니다. 놀랍게도, 뉴런에만 거의 배타적인 두 번째 형태의 "비-CG" DNA 메틸화는 뇌가 성숙함에 따라 축적되어 인간 뉴런의 게놈에서 지배적인 메틸화 형태가 됩니다. 이러한 결과는 어린 시절의 주요 단계에서 뇌 세포의 복잡한 DNA 환경이 어떻게 발달하는지 이해하는 데 도움이 됩니다.

Salk 연구원의 새로운 연구는 게놈에서 추가 정보 층으로 작용할 수 있는 세포 DNA의 화학적 변형인 "DNA 메틸화"로 알려진 뇌의 후성유전학적 변화에 대한 최초의 포괄적인 지도를 제공합니다.

이 연구는 특정 유전자가 태아, 청소년 및 성인 뇌 세포에서 어떻게 조절되는지에 대한 실마리를 제공하며, 이 발견은 메틸화 패턴의 변화가 정신 장애를 포함한 인간 질병과 연결될 수 있는지 여부를 탐구하는 데 중요한 토대를 형성합니다.

이미지: The Salk Institute for Biological Studies의 Eran Mukamel 제공

DNA의 유전자 코드는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C) 및 티민(T)의 네 가지 화학적 염기로 구성됩니다. DNA 메틸화는 일반적으로 DNA 알파벳에서 C(시토신)가 G(구아닌) 옆에 있는 소위 CpG 사이트에서 발생합니다. CpG 사이트의 약 80~90%가 인간 DNA에서 메틸화되어 있습니다. Salk 연구원들은 이전에 인간 배아 줄기 세포와 인위적으로 유도된 줄기 세포의 일종인 유도 만능 줄기 세포에서 G가 C를 따르지 않을 때 DNA 메틸화가 일어날 수 있다는 것을 발견했습니다. 따라서 "비CG 메틸화"입니다. 원래 그들은 줄기세포가 폐나 지방세포와 같은 특정 조직 유형으로 분화할 때 이러한 유형의 메틸화가 사라진다고 생각했습니다. 현재 연구는 뇌가 성숙하는 어린 시절과 청소년기에 세포가 분화된 후 비 CG 메틸화가 나타나는 뇌에서는 그렇지 않다는 것을 발견했습니다.

생후 초기, 유년기, 청소년기 및 성인기 동안 마우스와 인간 뇌 조직뿐만 아니라 뉴런과 신경교세포(뇌의 전두엽 피질에서)의 게놈을 시퀀싱함으로써 Salk 팀은 non-CG 메틸화가 초기부터 뉴런에 축적된다는 것을 발견했습니다. 유년기와 청소년기에 발생하며 성숙한 인간 뉴런에서 DNA 메틸화의 지배적인 형태가 됩니다. "이것은 뇌의 신경 회로가 성숙하는 기간이 신경 후생유전체의 대규모 재구성이라는 병렬 프로세스를 동반한다는 것을 보여줍니다."라고 Ecker는 말합니다. 하워드 휴즈 의학 연구소 고든과 베티 무어 재단 조사자.

이 연구는 발달 과정에서 쥐와 인간의 뇌에서 DNA 메틸화 패턴이 어떻게 변하는지에 대한 최초의 포괄적인 지도를 제공하여 메틸화 패턴의 변화가 정신 질환을 포함한 인간 질병과 연결될 수 있는지 여부를 탐색하는 데 중요한 토대를 형성합니다. 최근 연구는 정신 분열증, 우울증, 자살 및 양극성 장애에서 DNA 메틸화의 가능한 역할을 입증했습니다. 공동 제XNUMX저자인 Salk's의 Eran Mukamel은 "우리의 연구는 후생유전체의 변화가 어떻게 뇌세포의 복잡한 정체성을 조각하는지에 대해 더 자세한 질문을 던질 수 있게 해줄 것"이라고 말했습니다. 전산신경생물학 연구실.

"인간의 뇌는 우주에서 우리가 알고 있는 가장 복잡한 시스템이라고 불려 왔습니다."라고 새 논문의 공동 교신저자인 Ryan Lister는 말합니다. 웨스턴 오스트레일리아 대학. “따라서 아마도 우리는 이 복잡성이 뇌 후성유전체 수준까지 확장된다는 사실에 그리 놀라지 않을 것입니다. 뇌 발달의 중요한 단계에서 나타나는 DNA 메틸화의 이러한 독특한 특징은 정상적인 뇌 기능과 뇌 장애에 결정적으로 관여할 수 있는 이전에는 인식되지 않았던 조절 과정의 존재를 시사합니다.”

현재 신경과학자들은 많은 정신질환이 신경발달적 기원을 가지고 있으며 유전적 소인과 환경적 영향(예: 어린 시절의 스트레스 또는 약물 남용) 사이의 상호작용에서 발생하며 그 결과 뇌 네트워크의 활동이 변경된다는 데 의견이 일치하고 있습니다. . 이러한 뇌 네트워크의 구축 및 형성에는 중추 신경계 세포 유형(뉴런 및 교질 세포)이 유전 코드를 표현하는 방식을 미세 조정해야 하는 긴 성숙 과정이 필요합니다.

"DNA 메틸화가 이 역할을 수행합니다."라고 연구 공동 저자는 말합니다. 테렌스 J. 세즈노프스키은 하워드 휴즈 의학 연구소 연구원, Francis Crick 의장 및 Salk's 대표 전산신경생물학 연구실. "우리는 메틸화 패턴이 뇌 발달 동안 역동적이라는 것을 발견했습니다. 특히 어린 시절과 청소년기의 비 CG 메틸화에 대해 정상적인 뇌 기능과 기능 장애에 대해 생각하는 방식을 바꿉니다."

뉴런의 전사 발현을 방해함으로써, 공동 교신 저자 추가 M. 마가리타 베렌스전산 신경생물학 연구소(Computational Neurobiology Laboratory)의 스태프 과학자는 "이러한 메틸화 패턴의 변경은 네트워크가 형성되는 방식을 변화시킬 것이며, 이는 나중에 정신 장애의 출현으로 이어질 수 있습니다."라고 말했습니다.

이 연구의 다른 연구자들은 솔크 연구소의 Joseph R. Nery, Mark Urich, Clare A. Puddifoot, Nicholas D. Johnson, Jacinto Lucero 및 Matthew D. Schultz였습니다. 서호주 대학의 Julian Tonti-Filippini; 윤 황(Yun Huang)과 안자나 라오(Anjana Rao) La Jolla 알레르기 및 면역학 연구소; Miao Yu와 Chuan He의 시카고 대학; Columbia University의 Andrew J. Dwork 및 Fatemeh G. Haghighi; 홀거 헤인과 마넬 에스텔러의 Bellvigte 생물 의학 연구소; Shijun Hu와 Joseph C. Wu의 의학의 스탠포드 대학 (Stanford University) 대학.

이 작업은 정신 건강의 국립 연구소 밸리 하워드 휴즈 의학 연구소 밸리 고든과 베티 무어 재단 밸리 캘리포니아 재생 의학 연구소 밸리 백혈병 및 림프종 학회 밸리 호주 연구위원회및 캘리포니아 대학교 샌디에이고의 이론 생물 물리학 센터.

Salk Institute of Biological Studies 정보 :
Salk Institute for Biological Studies는 세계적으로 유명한 기초 연구 기관 중 하나로, 국제적으로 유명한 교수진이 독특하고 협력적이며 창의적인 환경에서 근본적인 생명 과학 문제를 조사합니다. 발견과 미래 세대의 연구원 멘토링 모두에 초점을 맞춘 Salk 과학자들은 신경 과학, 유전학, 세포 및 식물 생물학 및 관련 분야를 연구하여 암, 노화, 알츠하이머, 당뇨병 및 전염병에 대한 이해에 획기적인 기여를 합니다.

교수진의 업적은 노벨상 및 국립 과학 아카데미 회원을 포함하여 수많은 영예로 인정되었습니다. 1960년 소아마비 백신 개척자인 Jonas Salk, MD가 설립한 이 연구소는 독립적인 비영리 조직이자 건축학적 랜드마크입니다.