Allen Brain Atlas: транскриптом мозку
Стаття на конкурс «біо / мовляв / текст»: Транскріптóм - це сукупність транскриптов, синтезованих клітиною, включаючи мРНК і некодуючі РНК. Транскриптом відображає профіль експресії генів в даний момент часу і, на відміну від генома , Може сильно змінюватися в залежності від умов навколишнього середовища. Таким чином, транскриптом характеризує функціональну активність однієї клітини, групи клітин, визначеної тканини або навіть цілого організму. Фахівці з Інституту Аллена під керівництвом Аллана Джонса склали транскриптомної атлас мозку людини, який дозволить не тільки розширити наші знання про функції окремих зон мозку, але і краще зрозуміти причини захворювань центральної нервової системи.
Ця робота зайняла перше місце в номінації «Кращий новинне повідомлення» конкурсу «Біо / мовляв / текст» -2012 .
Спонсор конкурсу - далекоглядна компанія Thermo Fisher Scientific .
Від простого до складного
У 2001 Поль Аллен заснував в Сіетлі (США) Інститут дослідження мозку ( Allen Brain Institute ). Оскільки починати відразу з мозку людини було б надто самовпевнено, першим проектом Інституту став Allen Mouse Brain Atlas - атлас транскріптома головного мозку миші. Проект було розпочато в 2004 році і завершено за 2 роки.
Метою цього дослідження було, по-перше, докладний гістологічне вивчення морфології мозку, а по-друге, дослідження транскріптома за допомогою гібридизації in situ (див. Врізку). Результат являє собою повноцінну базу даних, де зібрана інформація про те, в якій ділянці мозку які гени працюють. Дані представлені як у вигляді фотографій класичних зрізів мозку, так і у вигляді цифрового тривимірного зображення (рис. 1).
Малюнок 1. Дані про експресії гена Etv1 в Allen Mouse Brain Atlas.
Важливою особливістю проекту Allen Mouse Brain Atlas було рішення авторів викласти все результати у відкритий доступ за адресою www.brain-map.org , Де будь-який бажаючий може знайти інформацію про експресії конкретного гена в конкретній зоні. Всі дані доступні для скачування, а для досвідчених користувачів був розроблений ряд програм, наприклад NeiroBlast, який дозволяє знаходити гени з однаковим патерном експресії.
За шість років Allen Mouse Brain Atlas став важливим джерелом інформації для експериментальних робіт, в тому числі при вивченні роботи дофамінергіческім системи мозку [2] , Адиктивної поведінки [3] , [4] , Розробці моделей для дослідження захворювань нервової системи [5-7] і багатьох інших. Цікаво, що атлас використовувався не тільки вченими, які працюють з мишами, але і тими, хто використовує в своїх дослідженнях щурів [8] , [9] , дрозофіл [10] і навіть нематод [11] .
Робота над картою мозку миші дозволила оптимізувати експериментальні методи для автоматизованої потокової роботи, розробити необхідне програмне забезпечення та способи обробки великих масивів даних. Завдяки набутому досвіду Інститут Аллена зміг приступити до побудови транскриптомної карти головного мозку людини.
Транскриптом мозку людини
«Анатомічно докладний атлас транскріптома головного мозку дорослої людини», - так називається стаття вчених Інституту Аллена, опублікована 20 вересня 2012 у журналі Nature [12] . Схема роботи над атласом людського мозку мало відрізнялася від такої для мозку миші (рис. 2). Оскільки в розпорядженні дослідників було всього два зразка (аутопсійного матеріал з банку тканин Університету Меріленд і донорської програми Інституту Каліфорнії), крім забарвлених зрізів для вивчення морфологи мозку була використана магнітно-резонансна томографія. Для дослідження експресії генів був використаний метод РНК-мікрочіпів (тоді як в разі мозку миші застосовувався метод гібридизації in situ). Після дослідження структури зрізи поділялися на більш дрібні фрагменти - в результаті їх було трохи більше 900 для кожного з двох зразків. Потім з тканини виділялися все молекули РНК, і отриманий розчин наносився на спеціально розроблені мікрочіпи (див. Врізку). В цілому було використано 20 тисяч різних проб, що покривають 93% відомих генів людини (таке дивне число можна пояснити тим, що, незважаючи на майже повністю прочитання послідовність генома людини, деякі гени все ще не представлені в молекулярних базах послідовностей).
Малюнок 2. Схема роботи над проектом Allen Human Brain Atlas.
Наступним етапом після всебічного молекулярно-біологічного аналізу був біоінформатіческій аналіз даних. Перш за все, так само як і для мозку миші, був складений атлас мозку. Дані по транскрипт були приведені у відповідність з анатомічними координатами, що дозволяє визначити, в яких ділянках мозку експресується той чи інший ген, і навпаки - які білки виробляють клітини в конкретній зоні мозку. Після цього вчені проаналізували закономірності транскрипції тих чи інших генів. Їх цікавило, чи є відділи мозку, схожі за своїм транскрипт, і чи можна виділити всередині традиційних анатомічних зон мозку області з різними профілями експресії.
Як і очікувалося, дослідники виявили великі відмінності транскріптома між окремими зонами мозку. Експресія різних генів відповідає різним функціям клітин, тому що відповідає за емоції мигдалина зовсім не схожа на центр координації рухів (мозочок), і обидва вони за профілем експресії разюче відрізняються від гіпокампу (відділу, пов'язаного з роботою пам'яті). Однак якщо розглянути окремо лише кору великих півкуль, в ній спостерігається дивовижне однаковість транскриптов. Перш за все, впадає в очі відсутність відмінностей між двома півкулями. Виходить, що латерализация - переважне використання лівої чи правої руки, домінування лівого або правого ока та ін. - не має під собою ніякої біохімічної основи на рівні експресії генів. До речі, відсутність різниці між транскрипт півкуль є аргументом і проти популярного уявлення про те, що для лівого і правого півкуль характерні різні типи мислення ( міжпівкульна асиметрія ). Хоча всі ці явища можуть пояснюватися відмінностями на більш високих рівнях організації нервової тканини.
Розподіл кори на звивини протягом довго часу використовувалося нейробиологами і психіатрами як спосіб виділення функціональних зон (зорова, соматосенсорная, моторна). Згідно з даними Інституту Аллена, незалежно від розташування звивин всі клітини кори великих півкуль людського мозку експресують один і той же набір генів, а значить, влаштовані і працюють дуже схоже один на одного. Цей несподіваний результат зажадав подальшого изу