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L'atlas de cerveau de souris peut aider à comprendre les circuits complexes de l'esprit humain

Les circuits de l'esprit humain contiennent plus de 100 milliards de neurones, chacun lié à beaucoup d'autres neurones par l'intermédiaire des milliers de liens synaptiques, ayant pour résultat un organe de trois-livre qui est profondément plus complexe que le montant de ses parties innombrables.

Ces dernières années, cependant, les avances transformatives dans la représentation, l'ordonnancement et les technologies de calcul ont ouvert la possibilité de tracer un esprit humain vraiment à la définition de ses moléculaire et éléments cellulaires. Tandis que cet objectif ultime reste à atteindre, les chercheurs ont de façon constante progressé dans un plus petit, mais aucun moins capital, effort : un atlas du cerveau de souris.

L'atlas de cerveau de souris est un effort de plusieurs années et multi-institutionnel pour analyser la forme et le fonctionnement fondamentaux génomiques du cerveau de souris, qui sert de modèle à la recherche humaine relative. Mention de source : Institut de cerveau d'Allen

Dans un numéro spécial de nature, publiant en ligne le 7 octobre 2021, les chercheurs à l'Université de Californie San Diego, avec des collègues en travers du pays, décrivent leur progrès dans le ramassage de papiers. Deux des papiers, en lesquels les scientifiques d'Uc San Diego servis d'auteurs supérieurs, autres raffinent l'organisme des cellules dans les régions principales du cerveau de souris et, plus en critique, l'organisme de transcriptomic, d'epigenomic et les facteurs de déclenchement et les éléments qui fournissent à ces cellules du cerveau le fonctionnement et le but.

« Pour comprendre vraiment comment les fonctions cérébrales, et de cette connaissance développent les médicaments neufs et des traitements pour améliorer des vies humaines et la santé, nous devons voir et mesurer la structure cérébrale, organisme et fonctionnement vers le bas au niveau des cellules, » a dit le terril Ren, PhD, le directeur du centre pour Epigenomics, le professeur du médicament cellulaire et moléculaire à l'École de Médecine d'Uc San Diego et au membre de l'institut de Ludwig pour la cancérologie chez Uc San Diego.

La profondeur et la spécificité sont essentielles. Nous voulons une liste des pièces complète pour le cerveau, incluant pas simplement l'emplacement et les liens des neurones, mais les empreintes digital également moléculaires et épigénétiques qui leur donnent leur identité spécialisée. »

Eran A. Mukamel, PhD, directeur du laboratoire neural de calcul de dynamique d'ADN et professeur agrégé dans le service de la science cognitive, Université de Californie San Diego

Facteurs de régulation de gène

Depuis 2006, il y a eu un effort concerté et international pour produire un atlas en trois dimensions du cerveau de souris, qui est rugueux la taille d'un bec d'ancre et consistée en approximativement huit à 14 millions de neurones et cellules glial. Bien que le cerveau de souris ne soit pas une version miniature de l'esprit humain, il a prouvé à être un modèle puissant pour étudier beaucoup de fonctionnements d'esprit humain, les maladies et troubles mentaux, en partie parce que les gènes responsables des organes de construction et d'être humain et de rongeur d'opération sont de 90 pour cent d'identiques.

En leur papier, Ren auteur supérieur, collègues et collaborateurs au centre pour Epigenomics se sont concentrés sur produire un atlas des facteurs de régulation de gène dans le cerveau de souris, la région evolutionarily la plus jeune du cerveau qui supporte la perception sensorielle, le contrôle de moteur et les fonctions cognitives de haut niveau.

Les études récentes de la souris et des esprits humains ont indiqué que le cerveau contient des centaines de types neuraux de cellules distribués dans différentes régions, mais les programmes de réglementation transcriptionnels - les sens responsables de la seule configuration de chaque cellules de l'expression du gène, et par conséquent de son identité et fonctionnement - demeurent inconnus.

La chromatine accessible sondée par équipe de Ren - la substance des chromosomes - à plus de 800.000 différents noyaux de cellules de 45 emplacements dans le cerveau adulte de souris, alors utilisé les caractéristiques pour tracer la condition de 491.818 éléments cis-de réglementation du candidat ADN dans 160 types distincts de cellules. les éléments Cis-de réglementation sont des régions du non-codage ADN qui règlent la transcription (copiant un segment d'ADN dans l'ARN) des gènes voisins.

Ils ont constaté que différents types de neurones sont situés dans des endroits distincts du cerveau de souris, et la spécificité de leur distribution et fonctionnement spatiaux est marquée, et vraisemblablement pilotée, par le seul ensemble d'éléments cis-de réglementation d'ADN dans chaque type de cellules. En effet, certains des éléments de cellule-type-détail recensés par l'équipe de Ren se sont indépendamment avérés suffisants pour piloter l'expression du gène de journaliste dans les sous-classes spécifiques des neurones dans le cerveau de souris.

Étonnant, la majeure partie du cerveau de souris les éléments que cis-de réglementation tracés par les chercheurs ont des séquences homologues ou assimilées dans le génome humain qui peut agir en tant que facteurs de régulation, et pourraient pour cette raison être employés pour annoter des facteurs de régulation de gène impliqués dans le cahier des charges de type de cellules d'esprit humain.

Ren a dit que les découvertes fournissent une fondation pour l'analyse globale des programmes de réglementation de gène du cerveau mammifère, y compris des êtres humains, et peuvent aider à interpréter les variantes noncoding de risque qui contribuent aux maladies neurologiques variées et aux traits chez l'homme.

Transcriptomic et éléments epigenomic

Chaque cellule ou population des cellules produit une seule configuration des transcriptions de l'ARN - boucles de l'ARN transcrit de l'ADN qui donnent des directives génétiques pour les protéines que direct et supportez la durée. Elle a estimé que les millions de réactions chimiques se produisent dans les cellules mammifères chaque seconde. Que la complexité, combinée avec des ensembles de données croissants décrivant les fonctionnements des gènes, des graisses, des protéines, des sucres et d'autres lecteurs en biologie cellulaire, ont des efforts compliqués pour comprendre comment le cerveau est dispensé et fonctionne.

Mukamel et collègues rassemblés ont avancé ordonnancer des techniques pour se concentrer sur le cortex moteur primaire de souris, une connaissance de base de région du cerveau au mouvement. Ils ont produit de plus de 500.000 transcriptomes et epigenomes - listes complètes de toutes les molécules d'ARN et modifications d'ADN qui rendent chaque cellule du cerveau de souris seule.

Utilisant les modèles de calcul et statistiques nouveaux, ils ont produit un atlas multimodal de 56 la cellule que neuronale saisit à la souris le cortex moteur primaire qui décrit largement leurs caractéristiques moléculaires, génomiques et anatomiques.

Mukamel a dit que l'étude a prouvé que chaque cellule du cerveau a une configuration coordonnée d'expression du gène et de règlement épigénétique qui peut être identifiée avec de haute fidélité utilisant différentes techniques de ordonnancement. Juste comme une personne a l'écriture caractéristique, les caractéristiques faciales, les configurations vocales et les traits de personnalité, les auteurs ont constaté que les signatures d'ARN et d'ADN de la cellule tape dedans le cortex moteur différencient chaque cellule de ses voisins.

Et juste comme notre individualité humaine contribue à la force et à la diversité de nos communautés, a dit Mukamel, les seules configurations de l'expression du gène et du règlement dans des circuits de cerveau supportent un réseau hautement divers des cellules avec des rôles spécialisés et des fonctionnements interdépendants.

En combinant des caractéristiques epigenomic et transcriptomic d'un numéro sans précédent des cellules, Mukamel a dit que l'étude explique le potentiel des technologies de ordonnancement unicellulaires largement aux types de cellule du cerveau de plan - une leçon qui aidera en comprenant les circuits plus complexes de l'esprit humain.

Source:
Journal reference:

Li, Y. E., et al. (2021) An atlas of gene regulatory elements in adult mouse cerebrum. Nature. doi.org/10.1038/s41586-021-03604-1