Единственный способ узнать наверняка, что нейроны одного и того же человека содержат уникальную ДНК, — это профилировать геномы отдельных клеток, а не совокупных популяций клеток, последние из которых производят в среднем. Теперь, используя одноклеточное секвенирование, исследователи Института Солка и их сотрудники показали, что геномные структуры отдельных нейронов отличаются друг от друга даже больше, чем ожидалось. Результаты были опубликованы 1 ноября в Science.
«Вопреки тому, что мы когда-то думали, генетический состав нейронов в мозге не идентичен, а состоит из мозаики ДНК», — говорит автор-корреспондент Фред Гейдж, председатель Salk’s Vi и Джон Адлер по исследованиям возрастных факторов.
Нейродегенеративное заболевание.
В исследовании, проведенном Майком МакКоннеллом, бывшим младшим научным сотрудником Центра теоретической и вычислительной биологии им. Крика-Джейкобса в Солке, исследователи выделили около 100 нейронов у трех человек посмертно.
Ученые изучили весь геном на высоком уровне — в поисках крупных делеций и дупликаций ДНК, называемых вариациями числа копий или CNV, — и обнаружили, что до 41 процента нейронов имели по крайней мере одну уникальную, массивный CNV, возникший спонтанно, то есть он не передавался от родителей. Команда обнаружила, что CNV распределены по всему геному.
Незначительное количество ДНК в одной клетке необходимо многократно химически амплифицировать, прежде чем ее можно будет секвенировать. Этот процесс технически сложен, поэтому команда потратила год на то, чтобы исключить потенциальные источники ошибок в процессе.
«Большая часть нашего исследования заключалась в проведении контрольных экспериментов, чтобы показать, что это не артефакт», — говорит Гейдж. "Нам пришлось это сделать, потому что это было такой неожиданностью — обнаружение, что отдельные нейроны в вашем мозгу имеют разное содержание ДНК."
Группа обнаружила аналогичную вариабельность CNV в отдельных нейронах, полученных из клеток кожи трех здоровых людей. Ученые обычно используют такие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) для изучения живых нейронов в культуральной чашке. Поскольку ИПСК происходят из отдельных клеток кожи, можно ожидать, что их геномы будут одинаковыми.
«Удивительно то, что это не так, — говорит Гейдж. "В геномах нейронов, происходящих от одной линии ИПСК, существует довольно много уникальных делеций и амплификаций."
Интересно, что сами клетки кожи генетически различны, хотя и не так сильно, как нейроны. Это открытие, наряду с тем фактом, что нейроны имели уникальные CNV, предполагает, что генетические изменения происходят на более позднем этапе развития и не наследуются от родителей и не передаются потомству.
По словам МакКоннелла, профессора биохимии и молекулярной генетики в Медицинской школе Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле, логично, что нейроны имеют более разнообразный геном, чем клетки кожи. «Дело в том, что нейроны, в отличие от клеток кожи, не переворачиваются и взаимодействуют друг с другом», — говорит он. "Они образуют эти большие сложные цепи, где одна клетка, у которой есть CNV, которые делают ее отличной от других, потенциально может оказывать влияние на всю сеть в мозгу."
Спонтанно возникающие CNVs также связаны с риском заболеваний головного мозга, таких как шизофрения и аутизм, но эти исследования обычно объединяют множество клеток крови. В результате CNV, обнаруженные в этих исследованиях, влияют на многие, если не на все клетки, что позволяет предположить, что они возникают на ранней стадии развития.
Назначение CNV в здоровом мозге до сих пор неясно, но у исследователей есть некоторые идеи.
Модификации могут помочь людям адаптироваться к новому окружению, с которым они встречаются на протяжении всей жизни, или они могут помочь нам пережить массовую вирусную инфекцию. Ученые разрабатывают способы изменения геномной изменчивости нейронов, полученных из ИПСК, и особым образом бросают им вызов в чашке для культивирования.
Клетки с разными геномами, вероятно, производят уникальную РНК, а затем и белки. Однако на данный момент только одна технология секвенирования может применяться к одной клетке.
«Если и когда к клетке можно применить более одного метода, мы сможем предсказуемым образом увидеть, имеют ли клетки с разными геномами разные транскриптомы (совокупность всех РНК в клетке)», — говорит МакКоннелл.
Кроме того, необходимо будет секвенировать гораздо больше клеток, в частности, больше типов клеток, отмечает автор-корреспондент Ира Холл, доцент кафедры биохимии и молекулярной генетики в Университете Вирджинии. «Нам предстоит еще много работы, чтобы действительно понять, на каком уровне мы думаем, что обнаруженные нами вещи связаны с нейронами или связаны с различными параметрами, такими как возраст или генотип», — говорит он.
Другими авторами исследования являются Майкл Линдберг и Светлана Шумилина с кафедры биохимии и молекулярной генетики Медицинской школы Университета Вирджинии; Кристен Бреннанд, которая сейчас работает в Медицинской школе Икана на горе Синай в Нью-Йорке; Джулия Пайпер, сейчас работает в Гарвардском университете в Кембридже, Массачусетс; Тьерри Воет и Йорис Вермеш из Центра генетики человека, KU Leuven, Leuven, Бельгия; Крис Кауинг-Зитрон из лаборатории генетики Солка; и Роджер Ласкен из J. Институт Крейга Вентера в Сан-Диего.
Эта работа была поддержана Центром теоретической и вычислительной биологии Крика-Джейкобса, G. Гарольд и Лейла Y. Фонд Мазерса, Национальные институты здоровья, Леона М. и Гарри Б. Благотворительный фонд Хелмсли, фонд JPB и фонд Burroughs Wellcome.