Эпигеномные карты показывают, как изменяются цепи мозга от рождения до взрослого возраста

Впервые, путём составления эпигеномной карты человеческого мозга, ученые выявили несколько масштабных изменений, происходящих в цепях мозга человека от рождения до зрелого возраста.

Международная команда, в том числе из Университета Западной Австралии (UWA), института биологических исследований Солка в Калифорнии и Institut d'Investigació BioMedica де Bellvitge (IDIBELL) в Испании, сообщила о результатах в статье, опубликованной в журнале Science.

Райан Листер (Ryan Lister), профессор UWA и геномный биолог: «Полученные данные будут служить основой для исследования роли эпигенома в процессе обучения, формирования памяти, структуры мозга и психических заболеваний».

В то время как геном может рассматриваться как инструкция по эксплуатации, содержащая чертежи (гены) для биологических компонентов, из которых состоит наше тело, недавнее открытие эпигенома можно рассматривать как еще одну страницу руководства, объясняющую способ чтения этой инструкции. Эпигеном является записью химических изменений, которые происходят в ДНК в процессе развития организма. Продолжая аналогию с инструкцией по эксплуатации, эпигеном напоминает набор заметок и закладок, которые говорят, например, проигнорировать страницу 6 или же выполнить сначала указания со страницы 4.

Понимание эпигенома является ключом к пониманию того, как гены влияют на здоровье и развитие болезней под влиянием таких факторов, как образ жизни, питание и окружающая среда. Новое исследование предлагает беспрецедентную возможность взглянуть на эпигеном в процессе развития мозга. Используя оборудование с высоким разрешением, медики обнаружили уникальные образцы эпигенома, возникающие в цепях мозга в детском возрасте.

Старший автор Джозеф Р. Экер (Joseph R. Ecker), профессор и директор лаборатории геномного анализа в Институте Солка, считает, что их исследование демонстрирует крупномасштабные реконфигурации, которые эпигеном претерпевает при взрослении цепей мозга. При здоровом развитии мозга ряду процессов требуется время, чтобы сформировать сложные структуры и связи между цепями мозга. Например, лобная кора, расположенная в передней части головного мозга, является критически важной для процессов мышления, решения проблем, принятия решений и их выполнения.

Два основных типа клеток лобной коры, нейроны и глии, выполняют совершенно разные функции, тем не менее, они обладают одинаковым шаблоном ДНК-кода, изготовленным из букв A, C, G и T. Причина различия в выполняемых ими функциях скрывается в эпигеноме. Один из способов контроля эпигеномом интерпретации генома является пометка букв С в коде ДНК. Это осуществляется с помощью химического процесса, называемого метилированием ДНК.

Пометка ведёт к тому, что эта часть ДНК рассматривается по другому по сравнению с тем случаем, когда пометки нет: например, пометка может подавить соседний ген, так что он не сможет кодировать определённый белок. Таким образом, эпигеном влияет на развитие органов и способность создавать и распределять клетки по типам.

Для исследования ученые использовали передовые методы секвенирования ДНК, чтобы с их помощью определить, где именно все помеченные буквы C располагались в мозге мышей и людей от младенчества до зрелого возраста.

Соавтор Эран Мукамель (Eran Mukamel) из лаборатории вычислительной нейробиологии института Солка: «Удивительно, но мы обнаружили, что уникальный тип метилирования ДНК возникает именно тогда, когда нейроны в развивающемся мозгу ребенка формируют новые связи между собой, то есть когда формируются критически важные схемы мозга».

Сначала ученые считали, что C-тегирование происходит, только когда за C следует G (CG-метилирование). Позже они обнаружили, что другие типы метилирования также часто происходит в эмбриональных стволовых клетках генома.

Исследователи также наблюдали оба типа метилирования ДНК в растениях; именно это наблюдение заставило их повести исследование под несколько другим углом. «Мы активно искали места не CG-метилирования, в существование которых многие учёные не верили. Наша работа добавляет новые данные по этому вопросу, показывая, что не CG-метилирование также существует в человеческом мозге», говорит Листер.

Они были удивлены, обнаружив, что этот уникальный тип пометки генома происходит практически только в нейронах и образцы этого процесса у всех людей очень похожи.

"В течение периода от начала развития плода до начала взрослой жизни не CG-метилированные молекулы ДНК накапливается в нейронах, но не в глии, чтобы стать доминирующей формой метилирования в геномах нейронных структур», пишут авторы.

Таким образом, они установили, что эпигеном помечает геном в клетках головного мозга уникальным способом, который отличается от используемых в клетках остальных частей тела методов. Результат заслуживает особого внимания, поскольку предыдущие исследования показывают, что этот тип пометки важен для обучения, формирования памяти и пластичности мозга или гибкости цепей мозга.

Экер добавляет: «Полученные результаты расширили наши знания об уникальной роли метилирования ДНК в развитии и функционировании мозга. Они предлагают новую основу для тестирования роли эпигенома в здоровом функционировании и при патологических нарушениях в нейронных цепях».

medbe.ru