Цепи человеческого мозга содержат более 100 миллиардов нейронов, каждый из которых связан со многими другими нейронами через тысячи синаптических связей, в результате чего получается трехфунтовый орган, который намного сложнее, чем сумма его бесчисленных частей.
Однако в последние годы революционные достижения в области визуализации, секвенирования и вычислительных технологий открыли возможность картирования человеческого мозга действительно с разрешением его молекулярных и клеточных компонентов. Хотя эта конечная цель еще не достигнута, исследователи неуклонно продвигались вперед, прилагая меньшие, но не менее важные усилия: атлас мозга мыши.
В специальном выпуске журнала Nature, опубликованном в Интернете 7 октября 2021 года, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего вместе с коллегами по всей стране описывают свой прогресс в сборе статей. Две статьи, в которых ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего выступали в качестве старших авторов, дополнительно уточняют организацию клеток в ключевых областях мозга мыши и, что более важно, организацию транскриптомных, эпигеномных и регуляторных факторов и элементов, которые обеспечивают эти клетки мозга. с функцией и целью.
"Чтобы по-настоящему понять, как функционирует мозг, и на основе этих знаний разработать новые лекарства и методы лечения для улучшения жизни и здоровья человека, нам необходимо увидеть и количественно оценить структуру, организацию и функции мозга вплоть до уровня отдельных клеток," сказал Бинг Рен, доктор философии.D., директор Центра эпигеномики, профессор клеточной и молекулярной медицины в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего и член Института Людвига по исследованию рака в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
"Глубина и конкретность важны," согласился Эран А. Мукамель, к.D., директор Лаборатории вычислительной нейронной ДНК-динамики и доцент кафедры когнитивных наук Калифорнийского университета в Сан-Диего. "Нам нужен полный список частей мозга, включая не только расположение и связи нейронов, но также молекулярные и эпигенетические отпечатки пальцев, которые придают им особую индивидуальность."
Регуляторные элементы генов
С 2006 года были предприняты согласованные международные усилия по созданию трехмерного атласа мозга мыши, размером примерно с горошину и состоящего примерно из 8-14 миллионов нейронов и глиальных клеток. Хотя мозг мыши не является миниатюрной версией человеческого мозга, он оказался мощной моделью для изучения многих функций человеческого мозга, болезней и психических расстройств, отчасти потому, что гены, ответственные за построение и функционирование органов как человека, так и грызунов, являются На 90 процентов идентичны.
В своей статье старший автор Рен, его коллеги и сотрудники из Центра эпигеномики сосредоточились на создании атласа регуляторных элементов генов в головном мозге мыши, эволюционно самой молодой области мозга, которая поддерживает сенсорное восприятие высокого уровня, контроль моторики и когнитивные функции.
Недавние исследования мозга мыши и человека показали, что головной мозг содержит сотни типов нервных клеток, распределенных в разных регионах, но программы регуляции транскрипции – направления, отвечающие за уникальный паттерн экспрессии генов каждой клетки, а, следовательно, ее идентичность и функции – остаются неизвестными.
Команда Рена исследовала доступный хроматин – материал хромосом – в более чем 800 000 отдельных ядер клеток из 45 участков мозга взрослой мыши, а затем использовала полученные данные для картирования состояния 491 818 кандидатных цис-регуляторных элементов ДНК в 160 различных типах клеток. Цис-регуляторные элементы – это участки некодирующей ДНК, которые регулируют транскрипцию (копирование сегмента ДНК в РНК) соседних генов.
Они обнаружили, что разные типы нейронов расположены в разных областях мозга мыши, и специфичность их пространственного распределения и функций коррелирует и, вероятно, управляется уникальным набором цис-регуляторных элементов ДНК в каждом типе клеток. В самом деле, некоторые из специфических для клеточного типа элементов, идентифицированных командой Рена, были независимо показаны как достаточные для управления экспрессией репортерного гена в определенных подклассах нейронов в мозгу мыши.
Удивительно, но большинство цис-регуляторных элементов мозга мыши, картированных исследователями, имеют гомологичные или похожие последовательности в геноме человека, которые могут действовать как регуляторные элементы, и, следовательно, могут использоваться для аннотирования регуляторных элементов генов, участвующих в спецификации типа клеток человеческого мозга.
Рен сказал, что полученные данные создают основу для всестороннего анализа программ регуляции генов мозга млекопитающих, включая человека, и могут помочь в интерпретации некодирующих вариантов риска, которые способствуют различным неврологическим заболеваниям и особенностям у людей.
Транскриптомные и эпигеномные элементы
Каждая клетка или популяция клеток производит уникальный образец транскриптов РНК – цепей РНК, транскрибируемых из ДНК, которые передают генетические инструкции для белков, которые направляют и поддерживают жизнь. Подсчитано, что каждую секунду в клетках млекопитающих происходят миллионы химических реакций. Эта сложность в сочетании с растущим набором данных, описывающих функции генов, жиров, белков, сахаров и других участников клеточной биологии, усложняет попытки понять, как устроен и функционирует мозг.
Мукамель и его коллеги объединили передовые методы секвенирования, чтобы сосредоточиться на первичной моторной коре головного мозга мыши, области мозга, имеющей фундаментальное значение для движения. Они сгенерировали более 500 000 транскриптомов и эпигеномов – исчерпывающие списки всех молекул РНК и модификаций ДНК, которые делают каждую клетку мозга мыши уникальной.
Используя новые вычислительные и статистические модели, они создали мультимодальный атлас 56 типов нейрональных клеток в первичной моторной коре головного мозга мышей, который всесторонне описывает их молекулярные, геномные и анатомические особенности.
Мукамель сказал, что исследование показало, что каждая клетка мозга имеет скоординированный образец экспрессии генов и эпигенетической регуляции, который можно распознать с высокой точностью с помощью различных методов секвенирования. Подобно тому, как человек имеет характерный почерк, черты лица, голосовые связки и личностные особенности, авторы обнаружили, что сигнатуры РНК и ДНК типов клеток в моторной коре головного мозга отличают каждую клетку от ее соседей.
И так же, как наша человеческая индивидуальность способствует силе и разнообразию наших сообществ, сказал Мукамель, уникальные паттерны экспрессии и регуляции генов в мозговых цепях поддерживают очень разнообразную сеть клеток со специализированными ролями и взаимозависимыми функциями.
Мукамель сказал, что, объединив эпигеномные и транскриптомные данные беспрецедентного количества клеток, исследование демонстрирует потенциал технологий секвенирования отдельных клеток для всестороннего картирования типов клеток мозга – урок, который поможет понять более сложные схемы человеческого мозга.