Bir Ömür Boyunca İnsan Beyninin Haritasını Çıkarmak

Özet: Araştırmacılar, bir ömür boyunca insan beynindeki hücresel değişiklikleri haritalamayı ve izlemeyi amaçlıyor.

Kaynak: UCSD

Ulusal Sağlık Enstitüleri’nden (NIH) beş yıllık, 126 milyon dolarlık bir hibe ile, California Üniversitesi San Diego Tıp Fakültesi, Salk Biyolojik Araştırmalar Enstitüsü ve başka yerlerdeki çok kurumlu bir araştırmacı ekibi, yeni bir Multiomik Merkezi başlattı. İnsan Beyin Hücre Atlası.

Merkez, NIH’nin, insan beyninin hücrelerini benzeri görülmemiş moleküler ayrıntılarla tanımlamayı, onları daha kesin alt tiplere ayırmayı, beyindeki konumlarını belirlemeyi ve nasıl hücresel olduğunu izlemeyi amaçlayan İlerleyen Yenilikçi Nöroteknolojiler (BRAIN) Girişimi Yoluyla Beyin Araştırması Girişimi’ne en son eklemedir. özellikler ömür boyu değişir.

Hücresel ve moleküler tıp profesörü ve çabanın baş araştırmacılarından biri olan Doktora Bing Ren, “Amaç, nörotipik insan beyinlerinin nasıl çalıştığını ve yaşlandığını daha iyi anlamak” dedi.

“Proje, bilim adamlarının beyinleri Alzheimer hastalığı, otizm, depresyon ve travmatik beyin hasarı gibi nörolojik veya psikiyatrik durumlarla karşılaştırabilecekleri bir temel oluşturacak ve bu da yeni anlayışlara, tedavilere ve terapötiklere yol açabilecektir.”

Örneğin, merkezin lideri Joseph Ecker, Salk’taki Genomik Analiz Laboratuvarı direktörü ve UC San Diego Tıp Fakültesi’nde hücre ve gelişim biyolojisi alanında yardımcı profesör olan Joseph Ecker, “bunun genomun bölgesi olduğunu söyleyebiliriz. Moleküler bir olayın o hastalığa neden olmak için ters gittiği beynin o bölümündeki nöronların belirli bir alt kümesi.

“Nihayetinde bu bilgi, yalnızca tedavinin gerekli olduğu hücre popülasyonlarını hedef alan gen tedavileri tasarlamamıza yardımcı olabilir – doğru genleri doğru zamanda doğru yere ulaştırabilir.”

Ren ve Ecker’e ek olarak, Multiomik İnsan Beyin Hücresi Atlası Merkezi, Salk’ta araştırma profesörü olan Margarita Behrens; Xiangmin Xu, PhD, UC Irvine’de anatomi ve nörobiyoloji profesörü; ve St. Louis’deki Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde tıp profesörü olan Ting Wang.

Farelerden erkeklere

Multiomik İnsan Beyin Hücresi Atlası Merkezi, NIH’nin BRAIN Initiative Cell Atlas Network’ünün (BICAN) bir parçasıdır ve fare beyninin haritalandırılmasıyla başlayan beş yıllık bir çabayı genişletmektedir. Ren ve Ecker’ı da içeren BRAIN Initiative Cell Census Network, fare atlası bulgularını özel bir sayısında yayınladı. Doğa Ekim 2021’de.

“Ay’a yapılan kısa yolculuklardan uzay yolculuğu hakkında öğrendiklerimize benzer şekilde, fare beyin haritalama projesi bize çok daha büyük bir beyne nasıl yaklaşacağımız ve gerçekten haritalama yapabilmek için ihtiyaç duyacağımız genomik bilgi türleri hakkında çok şey öğretti. insan beyni,” dedi Behrens Salk’ta.

“Bu proje, bilimde ekip çalışmasının ne kadar verimli olabileceğinin bir örneğidir – bu tür projeler tek bir laboratuvarda gerçekleştirilemez.”

İnsan beynini haritalamak

Yeni projede araştırmacılar 1.500 beyin örneğini (yaşları değişen 30 insan beyninde her biri 50 bölge) inceleyecek. Merkez, yalnızca her hücrenin gen ekspresyon paternlerine değil, aynı zamanda DNA metilasyonu, kromatin organizasyonu ve çekirdekteki histon modifikasyonlarına da odaklanacak – belirli bir hücre tipinde veya belirli bir hücre tipinde genlerin “açılıp” “kapatıldığını” etkileyen moleküler olaylar. belirli bir zaman.

UC Irvine ekip üyeleri öncelikle beyin numunesi alımını yönetecek. Salk bilim adamları, her bölgedeki her bir hücreden her bir çekirdeği izole edecek ve kromatin mimarisi ve DNA metilasyonu gibi moleküler detayları kaydedecekler.

Kromatin mimarisi, düzenleyici öğelerin uzakta bulunan genlerle iletişim kurmasını sağlar. DNA metilasyonu, DNA’nın kimyasal etiketlerle değiştirildiği, gen ifadesinin değiştirildiği süreçtir.

Ren’in ekibi, biyomedikal araştırmalar için önde gelen epigenomik teknolojilerinin geliştirilmesi ve uygulanmasında uzmanlaşmış ortak bir araştırma merkezi olan UC San Diego Tıp Fakültesi’ndeki Epigenomik Merkezi’nde yardımcı direktörler olan Quan Zhu, PhD ve Nathan Zemke’yi içermektedir.

Ren’in ekibi, tek hücre çözünürlüğünde histon modifikasyonlarını ve gen ekspresyonunu birlikte haritalayacaktır. Histon modifikasyonları, hücresel nükleozomları oluşturan histon proteinlerindeki kimyasal değişikliklerdir.

“Gen ekspresyonu ile birlikte histon modifikasyonunu inceleyerek,” dedi Ren, “beyindeki on milyonlarca hücre için ve bir yaşam süresi boyunca genlerin durumunu ve düzenleyici öğelerini kayıt altına alabileceğiz.”

Ren’in ekibi ayrıca yüz milyonlarca beyin hücresinin uzaysal dağılımını da haritalayacak.

Ren, “Bu bilgi, farklı nöral devrelerin yapılarını ve hücresel bileşimini benzeri görülmemiş ayrıntılarla tanımlayacak,” dedi ve “geniş bir nörolojik hastalık yelpazesinin incelenmesi için bir referans sağlıyor.”

Bu yılın başlarında, Ren’in ekibi, yaşlanan hücrelerin nasıl ve nerede biriktiğine dair kapsamlı bir atlas oluşturmak için Sanford Burnham Prebys’deki meslektaşlarıyla işbirliği içinde 10.6 milyon dolarlık bir hibe aldı. NIH hibesi, Cellular Senescence Network programının bir parçasıdır.

Şu anda, özellikle insan beyni ile ilgili bu tür ayrıntılı bilgiler yetersiz, neredeyse yok denecek kadar az.

“Aslında, milyonlarca, hatta yüz milyonlarca beyin hücresini almak, epigenetikleri ve kromatinlerinin nasıl düzenlendiği hakkında elimizden gelen her şeyi öğrenmek ve onları uzaysal bir bağlamda yansıtmak istiyoruz, böylece bu hücrelerin nerede yaşadığını görebiliriz ve nasıl olduğunu anlayabiliriz. Herhangi bir beyin bölgesindeki tüm hücreler, her yaşta ve her yaşta organizedir” dedi.

Teknoloji ve veriler

Araştırmacılar tipik olarak tek bir hücreyi incelediğinde, hücre beynin geri kalanından çıkarılır ve bu da çıkarılabilecek sonuçları sınırlar. Bunun üstesinden gelmek için araştırmacılar, hücreleri genetik verileriyle ayırt etmek için uzaysal transkriptomik adı verilen daha yeni bir teknik kullanacak ve bu bilgiyi hücreleri orijinal konumlarına geri döndürmek için kullanacaklar.

Spesifik olarak, ekip, hücrenin anatomik konumunu kaydederken, her hücredeki yüzlerce genin RNA transkriptlerini tespit edip ölçebilen, multipleks hata sağlam RNA FISH (MERFISH) olarak bilinen bir teknolojiden yararlanacak.

Ren’in laboratuvarı kısa süre önce, aynı hücrelerden çok yüksek verimle histon modifikasyonlarını ve gen ekspresyonunu eş zamanlı olarak haritalayan, Paired-Tag olarak bilinen bir araç icat etti. Kombine haritalar, insan beynindeki ve yaşam süresi boyunca hücre tipleri için histon modifikasyonları, gen ekspresyonu, DNA metilasyonu ve kromatin mimarisinin bütünleştirici haritalarının oluşturulmasına izin verecektir.

Ecker, tek başına laboratuvarının proje sırasında 11 petabayt ham veri üreteceğini tahmin ediyor – 171.875 flash sürücüye (her biri 64 GB) eşdeğer – bu, merkezin hesaplamalı biyoloji, veri depolama ve analiz konusundaki uzmanlığının ve kaynaklarının altını çiziyor. Washington Üniversitesi ekip üyeleri, veri yönetimi ve entegrasyonundan sorumlu olacak.

NIH BRAIN Initiative direktörü John Ngai, “BICAN ödüllerinin duyurulmasıyla, 2014 yılında başlayan genel BRAIN Initiative hücre sayımı programında heyecan verici bir geçiş yapıyoruz” dedi.

“Bu ödüller, araştırmacıların insan beynindeki 200 milyardan fazla nöronun ve nöronal olmayan hücrelerin çok yönlü özelliklerini benzeri görülmemiş bir ayrıntı ve ölçekte keşfetmelerini sağlayacak. belirli beyin hücre gruplarındaki patolojik değişikliklerin nörolojik ve nöropsikiyatrik bozukluklara nasıl neden olabileceğini anlamak.

Bu beyin haritalama araştırması haberleri hakkında