Organizacja ludzkiego mózgu rozwija się z biegiem czasu w wyniku skoordynowanej ekspresji tysięcy genów. Powiązanie rozwoju zdrowej organizacji mózgu z genami odpowiedzialnymi za schorzenia psychiczne, takie jak autyzm i schizofrenia, mogłoby pomóc w odkryciu biologicznych przyczyn tych zaburzeń.

Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge i innych instytutów na całym świecie przeprowadzili niedawno badanie, które powiązało ekspresję genów w zdrowych mózgach z obrazowaniem, transkryptomią i genetyką zaburzeń ze spektrum autyzmu i schizofrenii. Ich artykuł, opublikowany w Neuronauka przyrodniczaodsłonili trzy różne przestrzenne wzorce ekspresji genów w korze mózgowej, każdy z konkretnymi powiązaniami z autyzmem i schizofrenią.

„Wcześniejsze prace wykazały, że wszystkie ludzkie mózgi mają ten sam pierwotny przestrzenny wzór ekspresji genów (C1), odzwierciedlający hierarchię połączeń między neuronami” – powiedział Medical Xpress Richard Dear, współautor artykułu. „Nasza hipoteza była taka, że ​​prawdopodobnie istnieje więcej niż jeden wzorzec organizujący ekspresję dwudziestu tysięcy ludzkich genów w naszych mózgach”.

Głównym celem niedawnego badania Deara i jego współpracowników było odkrycie nowych przestrzennych wzorców ekspresji genów. Mieli nadzieję, że te nowe wzorce rzucą światło na tak zwane „programy transkrypcyjne”, biologiczne mechanizmy, dzięki którym ludzki mózg rozwija się zarówno w zdrowiu, jak i chorobie.

„Kluczowym wyzwaniem dla tego badania była ograniczona liczba dostępnych danych” – powiedział Dear. „Atlas mózgu ludzkiego Allena pozostaje jedynym zbiorem danych dotyczących ekspresji genów o wysokiej rozdzielczości przestrzennej w mózgu i zebrano go jedynie od sześciu zdrowych dawców. Dlatego musieliśmy znaleźć sposób na identyfikację wzorców w tych ograniczonych danych, które, jak mieliśmy pewność, reprezentują ogólne programy transkrypcyjne wspólne dla wszystkich ludzkich mózgów.”

W ramach badań naukowcy przeprowadzili różne analizy obliczeniowe, aby zweryfikować swoje wyniki, w tym test permutacji pod kątem solidności i walidacji w trzech różnych typach niezależnych danych. Szukali także powiązań między nowymi programami transkrypcji a wcześniej opublikowanymi danymi dotyczącymi organizacji mózgu, rozwoju, ekspresji genów i zmienności genetycznej powiązanej z funkcjonowaniem mózgu zarówno w zdrowiu, jak i w chorobie.

„Najbardziej uderzające było to, że każda nowa analiza, którą przeprowadziliśmy, prowadziła do tej samej spójnej historii” – wyjaśnił Dear. „Drugi wzorzec ekspresji genów (C2) odnosi się do metabolizmu poznawczego i autyzmu, podczas gdy trzeci wzorzec (C3) odnosi się do plastyczności mózgu w okresie dojrzewania i schizofrenii. Co najważniejsze, oba wzorce zostały zidentyfikowane i zweryfikowane całkowicie w mózgach neurotypowych dawców”.

Dear i jego współpracownicy jako pierwsi powiązali neurotypową ekspresję genów w mózgu z autyzmem i schizofrenią na podstawie trzech powszechnych typów wcześniejszych wyników (tj. neuroobrazowania kliniczno-kontrolnego, zróżnicowanej ekspresji genów i badań asocjacyjnych obejmujących cały genom). Wyniki sugerują, że dane zebrane przy użyciu tych odrębnych technik, które wcześniej wydawały się niepowiązane, w rzeczywistości można powiązać z tymi samymi programami transkrypcyjnymi, które kierują rozwojem zdrowych ludzkich mózgów.

„Następnym krokiem będzie dla nas głębsze zanurzenie się w biologię tych trzech wzorców, aby zrozumieć je na bardziej mechanistycznym poziomie, wykorzystując niedawno opublikowane dane dotyczące sekwencjonowania RNA pojedynczego jądra” – dodał Dear. „Mamy na przykład nadzieję odkryć kluczowe geny lub czynniki transkrypcyjne kierujące ekspresją wzorców C1–C3 na wczesnym etapie rozwoju w różnych typach komórek. Mamy również nadzieję, że te trzy wzorce i opracowany przez nas zoptymalizowany kod analityczny będą źródłem informacji dla inni naukowcy pragnący zrozumieć genetyczne podstawy przestrzennej organizacji mózgu.”