Исследование обнаруживает лоскутное одеяло генетических вариаций в мозге

1 ноября 2013

Исследование обнаруживает лоскутное одеяло генетических вариаций в мозге

Ученые Солка обнаруживают удивительную степень изменчивости среди геномов отдельных нейронов одного и того же мозга.

1 ноября 2013

ЛА-ХОЛЬЯ, Калифорния — Когда-то считалось, что каждая клетка в организме человека обладает одним и тем же кодом ДНК и что особый способ чтения генома определяет функцию клетки и определяет личность. Однако для многих типов клеток в нашем организме это чрезмерное упрощение. Исследования геномов нейронов, опубликованные в последнее десятилетие, выявили лишние или отсутствующие хромосомы или фрагменты ДНК, которые могут копироваться и вставляться в геномы.

Единственный способ узнать наверняка, что нейроны одного и того же человека содержат уникальную ДНК, — это профилировать геномы отдельных клеток, а не массовые клеточные популяции, последние из которых дают среднее значение. Теперь, используя секвенирование отдельных клеток, исследователи Института Солка и их сотрудники показали, что геномные структуры отдельных нейронов отличаются друг от друга даже больше, чем ожидалось. Выводы были опубликованы 1 ноября 2013 г. Наука.

«Вопреки тому, что мы когда-то думали, генетический состав нейронов в мозге не идентичен, а состоит из лоскутного одеяла ДНК», — говорит соответствующий автор. Фред Гейдж, Ви Солка и председатель Джона Адлера по исследованию возрастных нейродегенеративных заболеваний.

В исследовании под руководством Майк Макконнелл, бывший младший научный сотрудник Центр теоретической и вычислительной биологии Крика-Джейкобса в Солке исследователи посмертно выделили около 100 нейронов у трех человек. Ученые рассмотрели весь геном на высоком уровне, выискивая большие делеции и дупликации ДНК, называемые вариациями числа копий или CNV, и обнаружили, что целых 41 процент нейронов имеют по крайней мере одну уникальную, массивную CNV, возникшую спонтанно. это означает, что он не был передан от родителей. Команда обнаружила, что CNV разбросаны по всему геному.

Минимальное количество ДНК в одной клетке должно многократно подвергаться химической амплификации, прежде чем ее можно будет секвенировать. Этот процесс технически сложен, поэтому команда потратила год на устранение потенциальных источников ошибок в процессе.

«Большая часть нашего исследования заключалась в проведении контрольных экспериментов, чтобы показать, что это не артефакт», — говорит Гейдж. «Мы должны были сделать это, потому что это было таким сюрпризом — узнать, что отдельные нейроны в вашем мозгу имеют разное содержание ДНК».

Группа обнаружила аналогичную изменчивость CNV в отдельных нейронах, полученных из клеток кожи трех здоровых людей. Ученые обычно используют такие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) для изучения живых нейронов в чашке для культивирования. Поскольку иПСК происходят из отдельных клеток кожи, можно было бы ожидать, что их геномы будут одинаковыми.

«Удивительно то, что это не так, — говорит Гейдж. «В геномах нейронов, полученных из одной линии иПСК, довольно много уникальных делеций и амплификации».

Интересно, что сами клетки кожи генетически отличаются, хотя и не так сильно, как нейроны. Это открытие, наряду с тем фактом, что нейроны имели уникальные CNV, предполагает, что генетические изменения происходят позже в развитии и не наследуются от родителей и не передаются потомству.

Вполне логично, что нейроны имеют более разнообразные геномы, чем клетки кожи, говорит МакКоннелл, который в настоящее время является доцентом кафедры биохимии и молекулярной генетики. Медицинский факультет Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле. «Дело в том, что нейроны, в отличие от клеток кожи, не переворачиваются, а взаимодействуют друг с другом», — говорит он. «Они образуют эти большие сложные цепи, где одна клетка, имеющая CNV, которая делает ее другой, потенциально может оказывать влияние на всю сеть в мозге».

Спонтанно возникающие CNV также были связаны с риском заболеваний головного мозга, таких как шизофрения и аутизм, но в этих исследованиях обычно объединяется множество клеток крови. В результате CNV, обнаруженные в этих исследованиях, поражают многие, если не все клетки, что позволяет предположить, что они возникают на ранних стадиях развития.

Назначение CNV в здоровом мозгу до сих пор неясно, но у исследователей есть некоторые идеи. Модификации могут помочь людям адаптироваться к новым условиям, с которыми они сталкиваются в течение жизни, или они могут помочь нам пережить массовую вирусную инфекцию. Ученые разрабатывают способы изменения геномной изменчивости нейронов, полученных из иПСК, и определенным образом воздействуют на них в чашке для культивирования.

Клетки с разными геномами, вероятно, продуцируют уникальную РНК, а затем и белки. Однако на данный момент к одной клетке можно применить только одну технологию секвенирования.

«Если и когда к клетке можно будет применить более одного метода, мы сможем предсказуемо увидеть, имеют ли клетки с разными геномами разные транскриптомы (совокупность всей РНК в клетке)», — говорит МакКоннелл.

Кроме того, потребуется секвенировать гораздо больше клеток и, в частности, больше типов клеток, отмечает соответствующий автор. Ира Холл, адъюнкт-профессор биохимии и молекулярной генетики в Университете Вирджинии. «Предстоит проделать гораздо больше работы, чтобы действительно понять, на каком уровне, по нашему мнению, обнаруженные нами вещи являются специфичными для нейронов или связаны с различными параметрами, такими как возраст или генотип», — говорит он.

Другими авторами исследования являются Майкл Линдберг и Светлана Шумилина с кафедры биохимии и молекулярной генетики Медицинской школы Университета Вирджинии; Кристен Бреннанд, сейчас на Медицинская школа Icahn на горе Синай в Нью-Йорке; Джулия Пайпер, сейчас в Гарвардский университет в Кембридже, Массачусетс; Тьерри Воет и Жорис Вермиш из Центр генетики человека, KU Leuven, Левен, Бельгия; Крис Кауинг-Зитрон из Salk's Лаборатория генетики; и Роджер Ласкен из Институт Дж. Крейга Вентера в Сан-Диего.

Эта работа была поддержана Центр теоретической и вычислительной биологии Крика-Джейкобса, Фонд Дж. Гарольда и Лейлы Ю. Мазерс, Национальные институты здоровья, Леона М. и Гарри Б. Хелмсли Благотворительный фонд, Фонд JPB, и Фонд Берроуза Велкома.

О Солковском институте биологических исследований:
Институт биологических исследований Солка является одним из выдающихся в мире институтов фундаментальных исследований, где всемирно известные преподаватели исследуют фундаментальные вопросы науки о жизни в уникальной, совместной и творческой среде. Сосредоточенные как на открытиях, так и на наставничестве будущих поколений исследователей, ученые Солка вносят новаторский вклад в наше понимание рака, старения, болезни Альцгеймера, диабета и инфекционных заболеваний, изучая неврологию, генетику, клеточную и растительную биологию и смежные дисциплины.

Достижения факультета были отмечены многочисленными наградами, в том числе Нобелевскими премиями и членством в Национальной академии наук. Основанный в 1960 году пионером вакцины против полиомиелита Джонасом Солком, доктором медицины, Институт является независимой некоммерческой организацией и памятником архитектуры.