研究揭示动态表观基因组的变化发生在大脑回路的形成
表观基因组的变化,包括DNA的化学修饰,可以作为额外的信息层的基因组,并认为在学习和记忆中发挥作用,以及与年龄相关的认知下降。科学家们的一项新研究的结果索尔克生物研究所的研究表明,DNA甲基化的景观,一种特殊的外遗传性修改,在大脑细胞是高度动态的过渡从出生到成年,帮助了解信息在大脑细胞的基因组控制从胎儿发育到成年。大脑是更复杂的比所有其他器官在体内,这一发现打开了门一个更深的理解大脑的复杂的连接模式是如何形成的。
“这些结果扩展我们的知识的DNA甲基化的独特作用大脑发育和功能”,资深作者约瑟夫·r·埃克教授和沙克的基因组分析实验室主任和持有人的索尔克国际委员会主席遗传学。“他们提供一个新的测试框架的作用表观基因组在保健功能和病理的中断神经回路。"
一个健康的大脑的发展是一个漫长的过程的产物。front-most我们大脑的一部分,称为额叶皮质,扮演一个重要角色在我们的思考能力,决定和行动。大脑通过交互完成所有这些特殊的神经元和神经胶质细胞。我们知道,这些细胞具有不同的功能,但是他们给了这些细胞个体的身份是什么?答案在于每个细胞如何表达它的DNA中包含的信息。外遗传性修改,如DNA甲基化,可以控制哪些基因开启或关闭不改变DNA字母(A-T-C-G),从而帮助区分不同的细胞类型。
在这个新的研究中,发表在7月4日科学,科学家发现,DNA甲基化的模式进行广泛的重新配置在老鼠和人类大脑的额叶皮层的发展当突触,或神经细胞之间的联系,快速增长。研究人员发现确切的DNA甲基化的网站基因组从婴儿到成人的大脑。他们发现,DNA甲基化的一种形式存在于神经元和神经胶质。引人注目的是,第二个“non-CG”DNA甲基化形式,几乎独占了大脑神经元积累的成熟,成为基因组中甲基化的主要形式的人类神经元。这些结果帮助我们理解复杂的DNA的脑细胞发育关键阶段的童年。
DNA的遗传密码是由四个化学基地:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T) DNA甲基化通常发生在所谓的CpG网站,其中C(胞嘧啶)坐落在G(鸟嘌呤)DNA字母。大约80 - 90%的CpG网站在人类DNA甲基化。索尔克研究人员先前发现,在人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞,一种人为衍生干细胞,DNA甲基化也可以发生在G并不遵循C,因此“non-CG甲基化”。Originally, they thought that this type of methylation disappeared when stem cells differentiate into specific tissue-types such as lung or fat cells. The current study finds this is not the case in the brain, where non-CG methylation appears after cells differentiate, usually during childhood and adolescence when the brain is maturing.
通过测序的基因组老鼠和人类脑组织神经元和神经胶质(来自大脑的额叶皮层)在产后早期,青少年,青少年和成人阶段,索尔克团队发现non-CG甲基化在神经元通过早期童年和青春期,积累并成为DNA甲基化的主要形式在人类成熟的神经元。“这表明,在这段时间,大脑的神经回路成熟伴随着一个平行的神经表观基因组的大规模重组的过程,”埃克说,他是霍华德休斯医学研究所和戈登和贝蒂·摩尔基金会研究员。
研究提供了第一个综合地图的DNA甲基化模式的改变老鼠和人类大脑在开发期间,形成了现在关键基础探索甲基化模式的改变可能与人类疾病,包括精神疾病。最近的研究表明DNA甲基化的可能角色精神分裂症、抑郁症、自杀和双相情感障碍。“我们的工作将让我们开始问更详细的问题如何表观基因组雕刻的复杂身份的变化大脑细胞co-first作者伊兰说:“一生Mukamel,索尔克的计算神经生物学实验室。
“人类的大脑被称为宇宙中最复杂的系统,我们知道,”Ryan李斯特说,新论文的共同通讯作者,以前沙克在埃克实验室的一个博士后,现在在西澳大利亚大学的组长。所以也许我们不应该这么惊讶,这种复杂性水平延伸到大脑的基因。这些独特的DNA甲基化的功能出现在大脑发育的关键阶段建议之前未被监管的过程可能是极度参与正常的脑功能和脑障碍。”
目前,神经学家达成了共识,许多精神障碍有神经发育起源和来自遗传易感性和环境影响之间的相互作用(例如,早年生活的压力或药物滥用),结果是改变大脑网络的活动。这些脑网络的构建和塑造需要很长一段成熟过程中,中枢神经系统细胞(神经元和神经胶质)需要微调的方式表达他们的遗传密码。
说,“DNA甲基化履行这个角色研究的合著者泰伦斯·j . Sejnowski霍华德•休斯医学研究所研究员持有人弗朗西斯·克里克的椅子上,索尔克计算神经生物学实验室的负责人。“我们发现,在大脑发育的甲基化模式是动态的,尤其是non-CG甲基化在童年和青春期早期,从而改变我们思考的方式正常大脑功能和功能障碍有关。”
通过扰乱的转录表达神经元,增加共同通讯作者m·玛格丽塔behren计算神经生物学实验室的科学家,“这些甲基化模式的改变将改变网络的形成,这可能,反过来,导致精神障碍的出现在以后的生活中。”
