Neurogenomik

Fokusområden inom neurogenomik. Denna figur belyser de olika datakällorna och forskningsområdena som styr området neurogenomics.

Neurogenomics är studiet av hur genomet av en organism påverkar utvecklingen och funktionen av dess nervsystem. Detta område avser att förena funktionell genomik och neurobiologi för att förstå nervsystemet som helhet ur ett genomiskt perspektiv.

Nervsystemet hos ryggradsdjur består av två huvudtyper av celler - neurogliaceller och neuroner . Hundratals olika typer av neuroner finns hos människor, med varierande funktioner – några av dem bearbetar yttre stimuli; andra genererar ett svar på stimuli; andra organiserar sig i centraliserade strukturer ( hjärna , spinala ganglier ) som är ansvariga för kognition, perception och reglering av motoriska funktioner. Neuroner på dessa centraliserade platser tenderar att organisera sig i gigantiska nätverk och kommunicera omfattande med varandra. Innan expressionsmatriser och DNA-sekvenseringsmetoder blev tillgängliga försökte forskare förstå neurons cellulära beteende (inklusive synapsbildning och neuronal utveckling och regionalisering i det mänskliga nervsystemet) i termer av den underliggande molekylärbiologin och biokemin, utan någon förståelse för påverkan av en neurons genom på dess utveckling och beteende. I takt med att vår förståelse av genomet har utökats, har rollen av nätverk av geninteraktioner i upprätthållandet av neuronal funktion och beteende väckt intresse i det neurovetenskapliga forskningssamhället. Neurogenomics tillåter forskare att studera nervsystemet hos organismer i samband med dessa underliggande regulatoriska och transkriptionella nätverk. Detta tillvägagångssätt skiljer sig från neurogenetik , som betonar rollen av enskilda gener utan nätverksinteraktionskontext när man studerar nervsystemet.

Närmar sig

Tillkomsten av biologi med hög genomströmning

Ytterligare information: High throughput biologi

År 1999 rapporterade Cirelli & Tononi först sambandet mellan genomomfattande hjärngenexpressionsprofilering (med hjälp av mikroarrayer ) med en beteendefenotyp hos möss. Sedan dess har globala hjärngenexpressionsdata, härledda från mikroarrayer, anpassats till olika beteendemässiga kvantitativa egenskaper (QTL) och rapporterats i flera publikationer. Emellertid har mikroarraybaserade tillvägagångssätt sina egna problem som förvirrar analys - sondmättnad kan resultera i mycket liten mätbar varians av genuttryck mellan genetiskt unika individer, och närvaron av singelnukleotidpolymorfismer (SNP) kan resultera i hybridiseringsartefakter. Dessutom, på grund av sin sondbaserade natur, kan mikroarrayer missa många typer av transkript ( ncRNA , miRNA och mRNA -isoformer ). Prober kan också ha artspecifika bindningsaffiniteter som kan förvirra jämförande analys.

Noterbart faller sambandet mellan beteendemönster och högpenetrans enstaka gen -loci under neurogenetikforskningens område , där fokus är att identifiera ett enkelt orsakssamband mellan en enda, hög penetransgen och en observerad funktion/beteende. Det har dock visat sig att flera neurologiska sjukdomar tenderar att vara polygena och påverkas av flera olika gener och regulatoriska regioner istället för enbart en gen. Det har därför skett ett skifte från enstaka genmetoder till nätverksmetoder för att studera neurologisk utveckling och sjukdomar, ett skifte som kraftigt har drivits på av tillkomsten av nästa generations sekvenseringsmetoder .

Nästa generations sekvenseringsmetoder

Tvillingstudier har avslöjat att schizofreni , bipolär sjukdom , autismspektrumstörning (ASD) och ADHD ( Attention Deficit Hyperactivity Disorder) är mycket ärftliga, genetiskt komplexa psykiatriska störningar . Kopplingsstudier har dock till stor del misslyckats med att identifiera orsaksvarianter för psykiatriska störningar som dessa, främst på grund av deras komplexa genetiska arkitektur. Flera varianter av låg penetransrisk kan aggregeras i drabbade individer och familjer, och uppsättningar av orsaksvarianter kan variera mellan familjer. Studier efter dessa linjer har fastställt en polygen grund för flera psykiatriska störningar . Flera oberoende de novo-mutationer hos patienter med Alzheimers sjukdom har visat sig störa en delad uppsättning funktionella vägar involverade i neuronal signalering, till exempel. Strävan efter att förstå den orsakande biologin hos psykiatriska störningar stöds därför i hög grad av förmågan att analysera hela genom från drabbade och opåverkade individer på ett opartiskt sätt.

Med tillgången till massivt parallella nästa generations sekvenseringsmetoder , har forskare kunnat se bortom den sondbaserade fångsten av uttryckta gener. RNA-seq , till exempel, identifierar 25-60 % fler uttryckta gener än vad mikroarrayer gör. Inom det kommande området för neurogenomik hoppas vi att genom att förstå de genomiska profilerna för olika delar av hjärnan kan vi kanske förbättra vår förståelse för hur interaktionerna mellan gener och vägar påverkar cellulär funktion och utveckling. Detta tillvägagångssätt förväntas kunna identifiera de sekundära gennätverk som störs i neurologiska störningar, och sedan hjälpa till med läkemedelsutvecklingsstrategier för hjärnsjukdomar. HJÄRNAN -initiativet som lanserades 2013, till exempel, syftar till att " informera utvecklingen av framtida behandlingar för hjärnsjukdomar, inklusive Alzheimers sjukdom, epilepsi och traumatisk hjärnskada" .

Associationsstudier med sällsynta varianter (RVAS) har belyst rollen av de novo -mutationer i flera medfödda och tidigt uppkomna sjukdomar som autism . Flera av dessa proteinstörande mutationer har endast kunnat identifieras med hjälp av sekvensering av hela genomet och valideras med RNA-Seq . Dessutom är dessa mutationer inte statistiskt berikade i individuella gener, utan uppvisar snarare mönster av statistisk anrikning i grupper av gener associerade med nätverk som reglerar neurologisk utveckling och underhåll. En sådan upptäckt skulle ha varit omöjlig med tidigare gencentrerade tillvägagångssätt ( neurogenetik , beteendevetenskaplig neurovetenskap) . Neurogenomics möjliggör ett systembaserat tillvägagångssätt med hög genomströmning för att förstå den polygena grunden för neuropsykiatriska störningar.

Bildstudier och optisk kartläggning

När autism identifierades som en distinkt biologisk störning på 1980-talet, fann forskare att autistiska individer visade en hjärntillväxtavvikelse i lillhjärnan under sina tidiga utvecklingsår. Efterföljande forskning har visat att 90 % av autistiska barn har en större hjärnvolym än sina kamrater vid 2 till 4 års ålder och visar en ökning av innehållet av vit och grå substans i storhjärnan . Den vita och den grå substansen i storhjärnan är förknippad med inlärning respektive kognition, och bildningen av amyloida plack i den vita substansen har associerats med Alzheimers sjukdom . Dessa fynd framhävde påverkan av strukturell varians i hjärnan på psykiatriska störningar och har motiverat användningen av avbildningstekniker för att kartlägga regioner med divergens mellan friska och sjuka hjärnor. Dessutom, även om det kanske inte alltid är möjligt att hämta biologiska prover från olika områden där mänskliga hjärnor lever, erbjuder neuroavbildningstekniker ett icke-invasivt sätt att förstå den biologiska grunden för neurologiska störningar . Förhoppningen är att en förståelse för lokaliseringsmönster för olika psykiatriska sjukdomar i sin tur skulle kunna vara till hjälp för nätverksanalysstudier inom neurogenomik.

MRI

Strukturell magnetisk resonanstomografi (MRT) kan användas för att identifiera hjärnans strukturella sammansättning. Särskilt i samband med neurogenomik har MRT spelat en omfattande roll i studiet av Alzheimers sjukdom under de senaste fyra decennierna. Det användes från början för att utesluta andra orsaker till demens , men nyare studier visade på förekomsten av karakteristiska förändringar hos patienter med Alzheimers sjukdom. Som ett resultat av detta används MRT-skanningar för närvarande som ett neuroavbildningsverktyg för att hjälpa till att identifiera den temporala och spatiala patofysiologin för Alzheimers sjukdom, såsom specifika cerebrala förändringar och amyloidavbildning.

Lättheten och den icke-invasiva karaktären av MR-undersökningar har motiverat forskningsprojekt som spårar utvecklingen och uppkomsten av psykiatriska sjukdomar i hjärnan. Alzheimers sjukdom har blivit en nyckelkandidat i denna topografiska inställning till psykiatriska sjukdomar. Till exempel används MRI-skanningar för närvarande för att spåra vilande och uppgiftsberoende funktionsprofiler hos hjärnor hos barn med autosomal dominant Alzheimers sjukdom. Dessa studier har funnit indikationer på tidig debut av hjärnförändringar hos individer i riskzonen för Alzheimers sjukdom. Autism Center of Excellence vid University of California, San Diego, genomför också MRI-studier med barn mellan 12 och 42 månader, i hopp om att karakterisera avvikelser i hjärnans utveckling hos barn som uppvisar beteendesymtom på autism.

Ytterligare forskning har visat att det finns specifika mönster av atrofi i storhjärnan (som en följd av neurodegeneration ) i olika neurologiska störningar och sjukdomar. Dessa sjukdomsspecifika mönster för progression av atrofi kan identifieras med MRI-skanningar och ger en klinisk fenotypkontext till neurogenomisk forskning. Den tidsmässiga informationen om sjukdomsprogression som tillhandahålls av detta tillvägagångssätt kan också potentiellt informera tolkningen av störningar på gennätverksnivå i psykiatriska sjukdomar.

Optisk kartläggning

En oöverkomlig egenskap hos 2:a generationens sekvenseringsmetoder är den övre gränsen för det genomiska området som är tillgängligt genom parning. Optisk kartläggning är en framväxande metod som används för att spänna över storskaliga varianter som vanligtvis inte kan detekteras med hjälp av parade ändläsningar. Detta tillvägagångssätt har framgångsrikt tillämpats för att upptäcka strukturella varianter i oligodendrogliom , en typ av hjärncancer. Nyligen arbete har också belyst mångsidigheten hos optiska kartor för att förbättra befintliga genomsammansättningar. Kromosomala omarrangemang , mikrodeletioner och storskaliga translokationer har associerats med nedsatt neurologisk och kognitiv funktion , till exempel vid ärftlig neuropati och neurofibromatos . Optisk kartläggning kan avsevärt förbättra variantdetektion och informera geninteraktionsnätverksmodeller för det sjuka tillståndet vid neurologiska störningar.

Studerar andra hjärnsjukdomar

Förutom neurologiska störningar finns det ytterligare sjukdomar som uppenbarar sig i hjärnan och som har utgjort exemplariska användningsfallsscenarier för tillämpning av hjärnavbildning i nätverksanalys. I ett klassiskt exempel på avbildningsgenomiska analyser jämförde en forskningsstudie 2012 MRT-skanningar och genuttrycksprofiler för 104 gliompatienter för att särskilja behandlingsresultat och identifiera nya målbara genomiska vägar i Glioblastoma Multiforme (GBM). Forskare fann två distinkta grupper av patienter med signifikant olika organisation av vit substans (invasiv vs icke-invasiv). Efterföljande väganalys av genuttrycksdata indikerade mitokondriell dysfunktion som den översta kanoniska vägen i en aggressiv GBM-fenotyp med låg dödlighet.

Utvidgning av hjärnavbildningsmetoder till andra sjukdomar kan användas för att utesluta andra medicinska sjukdomar vid diagnostisering av psykiatriska störningar, men kan inte användas för att informera om närvaron eller frånvaron av en psykiatrisk störning.

Forskningsutvecklingsmodeller

I människor

De nuvarande metoderna för att samla in genuttrycksdata i mänskliga hjärnor är att använda antingen mikromatriser eller RNA-seq . För närvarande är det sällsynt att samla in "levande" hjärnvävnad - endast när behandlingar involverar hjärnkirurgi finns det en chans att hjärnvävnad samlas in under proceduren. Detta är fallet med epilepsi.

För närvarande samlas genuttrycksdata vanligtvis på post mortem hjärnor och detta är ofta ett hinder för neurogenomisk forskning hos människor. Efter döden kallas tiden mellan dödsfall och när data från post mortem hjärnan samlas in som post mortem interval (PMI). Eftersom RNA bryts ned efter döden är en fräsch hjärna optimal – men inte alltid tillgänglig. Detta kan i sin tur påverka en mängd olika nedströmsanalyser. Hänsyn bör tas till följande faktorer när man arbetar med omikdata som samlats in från obduktionshjärnor:

• Helst bör mänskliga hjärnor kontrolleras för PMI för en viss studie.
• Dödsorsaken är också en viktig variabel att ta hänsyn till vid insamling av mänskliga hjärnprover för neurogenomisk forskning. Till exempel samlas ofta hjärnprover från individer med klinisk depression efter självmord. Vissa dödstillstånd, såsom överdosering av droger eller självförvållat skott, kommer att förändra hjärnans uttryck.
• Ett annat problem med att studera genuttryck i hjärnor är den cellulära heterogeniteten hos hjärnvävnadsprover. Bulk hjärnprover kan variera i proportioner av specifika cellpopulationer från fall till fall. Detta kan påverka genuttryckssignaturerna och kan avsevärt förändra differentiell uttrycksanalys.
  • Ett tillvägagångssätt för att lösa detta problem är att använda encells-RNA-seq . Detta skulle styra för en specifik celltyp. Denna lösning är dock endast tillämpbar där studier inte är celltypsspecifika.

Differentialdiagnos förblir också en kritisk preanalytisk konfunderare av kohortövergripande studier av neurologiska störningar i spektrum. Specifikt har detta noterats vara ett problem för studier av Alzheimers sjukdom och autismspektrumstörningar. Dessutom, eftersom vår förståelse av de olika symptomen och genomiska grunderna för olika neurogenomiska störningar förbättras, genomgår själva diagnoskriterierna omarrangemang och översyn.

Djurmodeller

Pågående genomikforskning inom neurologiska störningar tenderar att använda djurmodeller (och motsvarande genhomologer ) för att förstå nätverksinteraktionerna som ligger till grund för en viss störning på grund av etiska problem kring hämtning av biologiska prover från levande mänskliga hjärnor. Även detta är inte utan sina vägspärrar.

Neurogenomisk forskning med en modellorganism är beroende av tillgången på ett fullständigt sekvenserat och kommenterat referensgenom. Dessutom måste RNA-profilerna ( miRNA , ncRNA , mRNA ) för modellorganismen vara väl katalogiserade, och alla slutsatser som tillämpas från dem på människor måste ha en bas i funktionell/ sekvenshomologi .

Zebrafisk

Zebrafiskutveckling bygger på gennätverk som är mycket bevarade bland alla ryggradsdjur . Dessutom, med en extremt välkommentarerad uppsättning av 12 000 gener och 1 000 tidig utvecklingsmutanter som faktiskt är synliga i de optiskt klara zebrafiskembryon och larverna, erbjuder zebrafisk ett sofistikerat system för mutagenes och realtidsavbildning av utvecklande patologier. Denna tidiga utvecklingsmodell har använts för att studera nervsystemet vid cellulär upplösning. Zebrafiskmodellsystemet har redan använts för att studera neuroregenerering och allvarliga polygena mänskliga sjukdomar som cancer och hjärtsjukdomar. Flera zebrafiskmutanter med beteendevariationer som svar på kokain- och alkoholdosering har isolerats och kan också utgöra en grund för att studera patogenesen av beteendestörningar.

Gnagare

Gnagarmodeller har varit framstående när det gäller att studera mänskliga sjukdomar. Dessa modeller har i stor utsträckning kommenterats med genhomologer av flera monogena störningar hos människor. Knockoutstudier av dessa homologer har lett till en expansion av vår förståelse av nätverksinteraktioner mellan gener i mänskliga vävnader. Till exempel FMR1 -genen varit inblandad i autism från ett antal nätverksstudier. Att använda en knockout av FMR 1 i möss skapar modellen för Fragilt X Syndrome , en av störningarna i autismspektrumet .

Möss xenograft är särskilt användbara för att upptäcka läkemedel och var extremt viktiga för upptäckten av tidiga antipsykotiska läkemedel. Utvecklingen av djurmodeller för komplexa psykiatriska sjukdomar har också förbättrats under de senaste åren. Gnagarmodeller har visat beteendefenotypförändringar som liknar ett positivt schizofrenitillstånd , antingen efter genetisk manipulation eller efter behandling med läkemedel som riktar sig mot de områden i hjärnan som misstänks påverka hyperaktivitet eller neuroutveckling. Intresse har skapats för att identifiera nätverksstörningar som förmedlas av dessa laboratoriemanipulationer, och insamling av genomiska data från gnagarstudier har bidragit avsevärt till en bättre förståelse av genomik av psykiatriska sjukdomar.

Det första mushjärntranskriptomet genererades 2008. Sedan dess har ett omfattande arbete utförts med att bygga modeller för sociala stressade möss för att studera vägnivåuttryckssignaturerna för olika psykiatriska sjukdomar . En färsk artikel simulerade särdrag av posttraumatisk stressstörning (PTSD) hos möss och profilerade hela transkriptomet av dessa möss. Författarna fann differentiell reglering i många biologiska vägar, av vilka några var inblandade i ångeststörningar ( hyperaktivitet , rädslareaktion), humörstörningar och nedsatt kognition. Dessa fynd backas upp av omfattande transkriptomiska analyser av ångeststörningar, och förändringar i uttrycksnivån i biologiska vägar involverade i rädslalärning och minne tros bidra till beteendets manifestationer av dessa störningar. Man tror att funktionell anrikning av gener involverade i långsiktig synaptisk potentiering, depression och plasticitet har en viktig roll att spela i förvärvet, konsolideringen och underhållet av traumatiska minnen som ligger bakom ångeststörningar.

Experimentella mössmodeller för psykiatriska störningar

Ett vanligt sätt att använda en musmodell är att tillämpa en experimentell behandling på en gravid mus för att påverka en hel kull. En nyckelfråga på området är dock behandlingen av kullar i en statistisk analys. De flesta studier tar hänsyn till det totala antalet producerade avkommor eftersom det kan leda till en ökning av statistisk kraft. Det korrekta sättet är dock att räkna med antalet kullar och att normalisera utifrån kullstorlek. Det visade sig att flera autismstudier felaktigt utförde sina statistiska analyser baserat på totalt antal avkommor istället för antal kullar.

Flera ångeststörningar som posttraumatiskt stressyndrom (PTSD) involverar heterogena förändringar i flera olika hjärnregioner, såsom hippocampus , amygdala och nucleus accumbens . Den cellulära kodningen av traumatiska händelser och de beteendereaktioner som utlöses av sådana händelser har visat sig ligga främst i förändringar i signalmolekyler associerade med synaptisk överföring .

Global genuttrycksprofilering av de olika genregionerna som är inblandade i rädsla och ångestbearbetning, med hjälp av mössmodeller, har lett till identifieringen av tidsmässigt och spatialt distinkta uppsättningar av differentiellt uttryckta gener. Väganalys av dessa gener har indikerat möjliga roller i neurogenes och ångestrelaterade beteendesvar, tillsammans med andra funktionella och fenotypiska observationer.

Mössmodeller för hjärnforskning har bidragit avsevärt till läkemedelsutveckling och ökat vår förståelse för den genomiska grunden för flera neurologiska sjukdomar under den senaste generationen. Klorpromazin , det första antipsykotiska läkemedlet (upptäcktes 1951), identifierades som ett livskraftigt behandlingsalternativ efter att det visade sig undertrycka svaret på aversiva stimuli hos råttor i en beteendeskärm.

Utmaningar

Modellering och bedömning av latenta symtom (tankar, verbal inlärning, sociala interaktioner, kognitivt beteende) är fortfarande en utmaning när man använder modellorganismer för att studera psykiatriska störningar med en komplex genetisk patologi . Till exempel måste en given genotyp+fenotyp i en musmodell imitera den genomiska grunden för en fenotyp som observerats hos en människa.

Detta är särskilt viktigt att tänka på vid spektrumstörningar som autism . Autism är en störning vars symtom kan delas in i två kategorier: (i) brister i sociala interaktioner och (ii) repetitiva beteenden och begränsade intressen. Eftersom möss tenderar att vara mer sociala varelser bland alla medlemmar av ordningen Rodentia som för närvarande används som modellorganismer, används möss i allmänhet för att modellera mänskliga psykiatriska störningar så nära som möjligt. Särskilt för autism finns för närvarande följande lösningar på plats för att efterlikna mänskliga beteendesymtom:

• För den första diagnostiska kategorin av nedsatt socialt beteende utsätts möss för en social analys avsedd att representera typiska autistiska sociala brister. Normalt socialt beteende för möss inkluderar sniffning, efterföljande, fysisk kontakt och allogrooming . Röstkommunikation kan också användas.
• Det finns ett antal sätt som den andra diagnostiska kategorin kan observeras hos möss. Exempel på repetitiva beteenden kan vara överdriven cirkling, självvård och överdrivet grävande. Vanligtvis skulle dessa beteenden utföras konsekvent inom en lång tidsmätning (dvs. självvård i 10 minuter).
  • Även om repetitiva beteenden är lätta att observera, är det svårt att karakterisera faktiska begränsade intressen hos möss. En aspekt av begränsade intressen hos autistiska individer är "enträget av likhet" - konceptet att autistiska individer kräver att deras miljö förblir konsekvent. Om den miljön skulle förändras skulle individen uppleva stress och ångest. Det har rapporterats framgång i att bekräfta en musmodell av autism genom att förändra musens miljö.

I något av dessa experiment har de "autistiska" mössen en "normal" umgängespartner och forskarna som observerar mössen är omedvetna ("blinda") om mössens genotyper.

Genuttryck i hjärnan

Genuttrycksprofilen för det centrala nervsystemet (CNS) är unik. Åttio procent av alla mänskliga gener uttrycks i hjärnan; 5 000 av dessa gener uttrycks enbart i CNS. Den mänskliga hjärnan har den högsta mängden genuttryck av alla studerade däggdjurshjärnor. I jämförelse kommer vävnader utanför hjärnan att ha mer liknande uttrycksnivåer i jämförelse med deras motsvarigheter från däggdjur. En källa till de ökade uttrycksnivåerna i den mänskliga hjärnan är från den icke-proteinkodande regionen av genomet. Många studier har visat att den mänskliga hjärnan har en högre uttrycksnivå i reglerande regioner jämfört med andra däggdjurshjärnor. Det finns också anmärkningsvärd berikning för fler alternativa splitsningshändelser i den mänskliga hjärnan.

Rumsliga skillnader

Genuttrycksprofiler varierar också inom specifika regioner i hjärnan. En mikroarraystudie visade att transkriptomprofilen för CNS kluster ihop baserat på region. En annan studie karakteriserade regleringen av genuttryck över 10 olika regioner baserat på deras eQTL- signaler. Orsaken till de varierande uttrycksprofilerna relaterar till funktion, neuronmigrering och cellulär heterogenitet i regionen. Även de tre skikten av hjärnbarken har distinkta uttrycksprofiler.

En studie som slutfördes vid Harvard Medical School 2014 kunde identifiera utvecklingslinjer som härrörde från singelbas neuronala mutationer. Forskarna sekvenserade 36 neuroner från hjärnbarken hos tre normala individer och fann att högt uttryckta gener, och neurala associerade gener, var signifikant berikade för singelneuron SNVs . Dessa SNVs visade sig i sin tur vara korrelerade med kromatinmarkörer för transkription från fostrets hjärna.

Utvecklingsmönster hos människor

Genuttrycket i hjärnan förändras genom livets olika faser. De mest signifikanta nivåerna av uttryck återfinns under tidig utveckling, där genuttryckshastigheten är högst under fosterutveckling. Detta beror på den snabba tillväxten av neuroner i embryot. Neuroner i detta skede genomgår neuronal differentiering , cellproliferation , migrationshändelser och dendritisk och synaptisk utveckling . Genuttrycksmönster förskjuts närmare specialiserade funktionella profiler under embryonal utveckling, men vissa utvecklingssteg pågår fortfarande vid förlossningen. Följaktligen verkar genuttrycksprofilerna för de två hjärnhalvorna asymmetriska vid födseln. Vid födseln verkar genuttrycksprofiler asymmetriska mellan hjärnhalvorna . När utvecklingen fortsätter blir genuttrycksprofilerna lika mellan hemisfärerna. Med en frisk vuxen förblir uttrycksprofilerna relativt konsekventa från slutet av tjugotalet till slutet av fyrtiotalet. Från femtiotalet och framåt sker en betydande minskning av uttrycket av gener som är viktiga för regelbunden funktion. Trots detta finns det en ökning av mångfalden av gener som uttrycks i hjärnan. Denna åldersrelaterade förändring i uttryck kan vara korrelerad med GC-innehåll . Vid senare skeden av livet finns en ökning av induktionen av pivotala gener med lågt GC-innehåll såväl som en ökning av undertryckandet av pivotala gener med högt GC-innehåll. En annan orsak till förändringen i genmångfald är ackumuleringen av mutationer och DNA-skador. Studier av genuttryck visar att gener som tillkommer dessa åldersrelaterade mutationer är konsekventa mellan individer i den åldrande befolkningen. Gener som uttrycks starkt vid utveckling minskar avsevärt i sena stadier i livet, medan gener som är starkt undertryckta vid utveckling ökar signifikant i de sena stadierna.

Evolution av däggdjurshjärnan

Utvecklingen av Homo sapiens sedan avvikelsen från primatens gemensamma förfader har visat en markant expansion i hjärnans storlek och komplexitet, särskilt i hjärnbarken . I jämförelse med primater har den mänskliga hjärnbarken en större yta men skiljer sig bara lite i tjocklek. Många storskaliga studier för att förstå skillnaderna mellan den mänskliga hjärnan och andra arter har indikerat expansion av genfamiljer och förändringar i alternativ splitsning för att vara ansvariga för den följdförhöjning av kognitiva förmågor och samarbetsbeteende hos människor. Men vi har ännu inte fastställt de exakta fenotypiska konsekvenserna av alla dessa förändringar. En svårighet är att endast primater har utvecklat underavdelningar i sin hjärnbark, vilket gör modelleringen av mänskliga specifika neurologiska problem svår att efterlikna hos gnagare .

Sekvensdata används för att förstå de evolutionära genetiska förändringarna som ledde till utvecklingen av det mänskliga CNS. Vi kan då förstå hur de neurologiska fenotyperna skiljer sig åt mellan arter. Jämförande genomik innebär jämförelse av sekvensdata över en fylogeni för att lokalisera de genotypiska förändringar som sker inom specifika linjer och förstå hur dessa förändringar kan ha uppstått. Ökningen av högkvalitativa däggdjursreferenssekvenser gör i allmänhet jämförande analys bättre eftersom den ökar den statistiska kraften . Ökningen av antalet arter i en fylogeni riskerar dock att lägga till onödigt brus eftersom anpassningarna av de ortologa sekvenserna vanligtvis minskar i kvalitet. Dessutom kommer olika klasser av arter att ha betydande skillnader i sina fenotyper.

Trots detta har jämförande genomik tillåtit oss att koppla de genetiska förändringarna som finns i en fylogeni till specifika vägar. För att fastställa detta testas härstamningar för de funktionella förändringar som uppstår över tiden. Detta mäts ofta som förhållandet mellan icke-synonyma substitutioner och synonyma substitutioner eller dN/dS-förhållandet (ibland, ytterligare förkortat till ω). När dN/dS-förhållandet är större än 1 indikerar detta positivt urval . Ett dN/dS-förhållande lika med 1 är ett bevis på att det inte finns några selektiva tryck. Ett dN/dS-förhållande mindre än 1 indikerar negativt urval . Till exempel kommer de konserverade regionerna i genomet i allmänhet att ha ett dN/dS-förhållande på mindre än 1 eftersom alla förändringar av dessa positioner sannolikt kommer att vara skadliga. Av generna som uttrycks i den mänskliga hjärnan uppskattas det att 342 av dem har ett dN/dS-förhållande som är större än 1 i den mänskliga härstamningen i jämförelse med andra primatlinjer. Detta indikerar positivt urval på den mänskliga linjen för hjärnfenotyper. Att förstå betydelsen av det positiva urvalet är i allmänhet nästa steg. Till exempel ASPM , CDK5RAP2 och NIN gener som selekteras positivt för på den mänskliga linjen och som har korrelerats direkt med hjärnans storlek. Detta fynd kan hjälpa till att klargöra varför mänskliga hjärnor är större än andra däggdjurshjärnor.

Uttrycksskillnader på nätverksnivå mellan arter

Man tror att förändringar i genuttryck, som är det ultimata svaret för alla genetiska förändringar, är en bra proxy för att förstå fenotypiska skillnader inom biologiska prover. Jämförande studier har avslöjat en rad skillnader i transkriptionskontrollerna mellan primater och gnagare . Till exempel är genen CNTNAP2 specifikt berikad för i den prefrontala cortexen . Mushomologen av CNTNAP2 uttrycks inte i mushjärnan. CNTNAP2 har varit inblandat i kognitiva funktioner i språket såväl som neuroutvecklingsstörningar som Autism Spectrum Disorder. Detta tyder på att kontroll av uttryck spelar en betydande roll i utvecklingen av unik mänsklig kognitiv funktion. Som en konsekvens har ett antal studier undersökt de hjärnspecifika förstärkarna. Transkriptionsfaktorer såsom SOX5 har visat sig vara positivt selekterade för på den mänskliga linjen. Studier av genuttryck hos människor, schimpanser och rhesusmakaker har identifierat mänskliga specifika samuttrycksnätverk och en ökning av genuttryck i den mänskliga cortexen jämfört med primater.

Störningar

Neurogenomiska störningar visar sig som neurologiska störningar med en komplex genetisk arkitektur och ett icke-Mendelianskt mönster av arv. Några exempel på dessa sjukdomar inkluderar bipolär sjukdom och schizofreni . Flera gener kan vara involverade i manifestationen av sjukdomen, och mutationer i sådana störningar är i allmänhet sällsynta och de novo. Därför blir det extremt osannolikt att observera samma (potentiellt orsakande) variant hos två obesläktade individer som drabbats av samma neurogenomiska störning. Pågående forskning har implicerat flera de novo exoniska variationer och strukturella variationer i till exempel Autism Spectrum Disorder (ASD). Det alleliska spektrumet av de sällsynta och vanliga varianterna vid neurogenomiska störningar kräver därför ett behov av stora kohortstudier för att effektivt utesluta lågeffektvarianter och identifiera de övergripande vägarna som ofta muteras i de olika sjukdomarna, snarare än specifika gener och specifika mutationer med hög penetrans .

Helgenomsekvensering (WGS) och hel exomsekvensering (WES) har använts i Genome Wide Association Studies (GWAS) för att karakterisera genetiska varianter associerade med neurogenomiska störningar. Effekten av dessa varianter kan dock inte alltid verifieras på grund av de icke-mendelska arvsmönster som observerats i flera av dessa sjukdomar. En annan oöverkomlig egenskap i nätverksanalys är bristen på storskaliga datauppsättningar för många psykiatriska (neurogenomiska) sjukdomar. Eftersom flera sjukdomar med neurogenomisk grund tenderar att ha en polygen grund, kan flera ospecifika, sällsynta och delvis penetrerande de novo- mutationer hos olika patienter bidra till samma observerade spektrum av fenotyper, vilket är fallet med Autism Spectrum Disorder och schizofreni. Omfattande forskning inom alkoholberoende har också visat på behovet av högkvalitativ genomisk profilering av stora provuppsättningar när man studerar polygena spektrumstörningar .

1000 Genomes Project var en framgångsrik demonstration av hur en samlad ansträngning att skaffa representativ genomisk data från det breda spektrumet av människor kan resultera i identifiering av handlingsbara biologiska insikter för olika sjukdomar. Men ett storskaligt initiativ som detta saknas fortfarande inom området neurogenomiska störningar specifikt.

Modellering av psykiatriska störningar i neurogenomisk forskning – frågor

En stor GWAS- studie identifierade 13 nya risklägen för schizofreni . Att studera effekterna av dessa kandidater skulle idealiskt visa en schizofreni-fenotyp i djurmodeller, som vanligtvis är svår att observera på grund av dess manifestation som en latent personlighet. Detta tillvägagångssätt kan bestämma den molekylära påverkan kandidatgenen . Helst skulle kandidatgenerna ha en neurologisk påverkan, vilket i sin tur skulle tyda på att det spelar en roll i den neurologiska störningen. Till exempel, i den tidigare nämnda schizofreni GWAS-studien, fastställde Ripke och kollegor att dessa kandidatgener var alla involverade i kalciumsignalering. Alternativt kan man studera dessa varianter i modellorganismer i samband med påverkad neurologisk funktion. Det är viktigt att notera att de höga penetransvarianterna av dessa störningar tenderar att vara de novo- mutationer.

En ytterligare komplikation för att studera neurogenomiska störningar är störningens heterogena natur. I många av dessa störningar förblir de mutationer som observeras från fall till fall inte konsekventa. Vid autism kan en drabbad individ uppleva en stor mängd skadliga mutationer i gen X. En annan drabbad individ kanske inte har några signifikanta mutationer på gen X men har en stor mängd mutationer i gen Y. Alternativet är att avgöra om gen X och gen Y påverkar samma biokemiska väg – en som påverkar en neurologisk funktion. En bioinformatisk nätverksanalys är en metod för detta problem. Nätverksanalysmetoder ger en generaliserad systemöversikt över en molekylär väg.

En sista komplikation att överväga är samsjukligheten hos neurogenomiska gener. Flera störningar, särskilt i de mer allvarliga ändarna av spektrumet, tenderar att vara komorbida med varandra. Till exempel tenderar svårare fall av ASD att vara förknippade med intellektuell funktionsnedsättning ( ID). Detta väcker frågan om det finns sanna, unika ASD-gener och unika ID-gener eller om det bara finns gener förknippade med neurologisk funktion som kan muteras till en onormal fenotyp. En förvirrande faktor kan vara den faktiska diagnostiska kategorin och metoderna för spektrumstörningarna eftersom symtomen mellan svåra störningar kan vara liknande. En studie undersökte de komorbida symtomen mellan grupper av ID och ASD, och fann ingen signifikant skillnad mellan symtomen hos ID-barn, ASD-barn med ID och ASD-barn utan ID. Framtida forskning kan bidra till att skapa en strängare genetisk grund för diagnoserna av dessa sjukdomar.

Nätverksanalys

En typisk nätverksanalyspipeline inom neurogenomik

Huvudmålet med nätverksanalys inom neurogenomik är att identifiera statistiskt signifikanta icke-slumpmässiga samband mellan gener som innehåller riskvarianter. Även om flera algoritmimplementationer av detta tillvägagångssätt redan finns, förblir de allmänna stegen för nätverksanalys desamma.

• Den analytiska processen börjar med identifieringen av ett biologiskt nätverk baserat på experimentell validering. Detta kan vara ett gensamuttrycksnätverk eller ett protein-proteininteraktionsnätverk (PPI). Nätverkets noder kommer att klustras.
• Därefter genereras en specifik lista med gener med kända associationer till en speciell fenotyp av intresse. Denna lista skulle kunna bestämmas av experimentella data, agnostiker av genetiska studier i psykiatriska störningar. Detta kallas en "träfflista".
• Gener som tillhör träfflistan samt det biologiska nätverk som valts ut i det första steget är markerade som sådana.
• Detta följs av ett guilt-by-association (GBA) steg. Detta innebär att kluster inom det biologiska nätverket som har en betydande mängd gener från träfflistan undersöks vidare med hjälp av funktionella anrikningsverktyg och databassökning efter de vägar som dessa högpoängande klustergener deltar i.
• Således undersöks de biologiska associationerna för de högt rankade, experimentellt inblandade klustermedlemmarna, vilket utökar sökområdet från bortom den initiala träfflistan till att inkludera genmedlemmar av ytterligare vägar som kan ha betydande samband med det ursprungliga biologiska nätverket som övervägs. Detta resulterar i en uppsättning kandidatgener.

Den underliggande principen för detta tillvägagångssätt är att de gener som kluster ihop sig också kommer att påverka samma molekylära väg. Återigen skulle de helst vara en del av en neurologisk funktion. Kandidatgenerna kan sedan användas för att prioritera varianter för våtlabbvalidering.

Neurofarmakologi

Historiskt sett, på grund av den beteendestimulering som manifesterats som ett symptom i flera neurogenomiska störningar, skulle terapierna förlita sig mest på antipsykotika eller antidepressiva medel. Dessa klasser av mediciner skulle undertrycka vanliga symtom på sjukdomarna, men med tveksam effekt. Det största hindret för nervfarmakogenomisk forskning var kohortstorlekarna. Med tanke på nyligen tillgängliga sekvenseringsdata från stora kohorter har det nyligen skett en push för att utöka terapeutiska alternativ. Den heterogena karaktären hos neurologiska sjukdomar är den viktigaste motivationen för personliga medicinska tillvägagångssätt för sina terapier. Det är sällsynt att hitta enstaka gener med hög penetrans vid neurologiska sjukdomar. De genomiska profilerna varierar förståeligt nog mellan fall, och logiskt sett skulle terapierna behöva variera mellan fall. Ytterligare komplicerar frågan är att många av dessa störningar är spektrumstörningar. Deras genetiska etiologi kommer att variera inom detta spektrum. Till exempel är svår ASD associerad med hög penetrans de novo mutationer. Mildare former av ASD förknippas vanligtvis med en blandning av vanliga varianter.

Nyckelfrågan är då översättningen av dessa nyligen identifierade genetiska varianter (från Copy Number Variant- studier, kandidatgensekvensering och högkapacitetssekvenseringsteknologier) till en intervention för patienter med neurogenomiska störningar. En aspekt kommer att vara om den neurologiska störningen är medicinskt genomförbar (dvs. finns det en enkel metabolisk väg som en terapi kan rikta in sig på). Till exempel har specifika fall av ASD associerats med mikrodeletioner på TMLHE- genen. Denna gen kodar för enzymet för karnitinbiosyntesen . Tillskott för att höja karnitinnivåerna verkade lindra vissa ASD-symtom men studien förvirrades av många påverkande faktorer. Som tidigare nämnts kommer användningen av en gennätverksmetod att hjälpa till att identifiera relevanta vägar av intresse. Många neurofarmakogenomiska tillvägagångssätt har fokuserat på att rikta in sig på nedströmsprodukterna från dessa vägar.

Blod-hjärnbarriär

Studier i djurmodeller för flera hjärnsjukdomar har visat att blodhjärnbarriären ( BBB ) ​​genomgår modifiering på många nivåer; till exempel kan ytglykoproteinsammansättningen påverka typerna av HIV-1-stammar som transporteras av BBB. BBB har visat sig vara nyckeln till uppkomsten av Alzheimers sjukdom. Det är dock extremt svårt att kunna studera detta på människor på grund av uppenbara restriktioner med att komma åt hjärnan och hämta biologiska prover för sekvensering eller morfologisk analys. Mössmodeller av BBB och modeller av sjukdomstillstånd har tjänat bra i att konceptualisera BBB som ett reglerande gränssnitt mellan sjukdom och god hälsa i hjärnan.

Personlig neurobiologi

Den heterogena karaktären hos neurologiska sjukdomar är den viktigaste motivationen för personliga medicinska tillvägagångssätt för sina terapier. Genomiska prover av enskilda patienter kan användas för att identifiera prediktiva faktorer, eller för att bättre förstå den specifika prognosen för en neurogenomisk sjukdom, och använda denna information för att vägleda behandlingsalternativ. Även om det finns en tydlig klinisk nytta av detta tillvägagångssätt, är anpassningen av detta tillvägagångssätt fortfarande obefintlig.

Det finns olika frågor som förbjuder tillämpningen av personlig genomik för bedömning, diagnos och behandling av psykiatriska störningar.

• För det första är den orsakande nätverksbiologin för flera spektrumstörningar med neurogenomisk underbyggnad ännu inte helt klarlagd, trots omfattande studier utförda med störningar som autismspektrum och schizofreni . Således har den analytiska giltigheten av stående hypoteser om etiologin för neurogenomiska störningar fortfarande inte fastställts fullt ut och är föremål för debatt och kontrovers.
• Den kliniska giltigheten av genetiska varianter som har visat sig vara starkt korrelerade med specifika neurogenomiska störningar är ofta en stor orsak till oro. Tolkningen av dessa testresultat och efterföljande beslutsfattande är en komplicerad uppgift med tanke på den polygena naturen hos många av dessa sjukdomar. För att ytterligare komplicera saker och ting har det visat sig att förebyggande insatser vid allvarliga psykiatriska störningar inte alltid minskar risken för störningen. Sådan intervention kanske inte ens är tillgänglig för avkommor i riskzonen till drabbade vuxna, vilket begränsar den "medicinska handlingsmöjligheten" för data.
• Etiska farhågor har också tagits upp när det gäller skyddet av personlig genomisk information och hur man bäst kan hantera bördan av tillfälliga fynd och familjeriskbedömning.
  • Släktskap och inavel kan leda till selektiv berikning av sällsynta genetiska mutationer som annars har låg penetrans som tillskrivs olika symptom på neurogenomiska störningar. Tolkningen av familjespecifika genetiska mutationer och/eller störningar på nätverksnivå vid uppkomsten av en sällsynt psykiatrisk störning kräver därför noggrant övervägande av motivationerna hos deltagarna som ingår i studien.
  • Som sagt, dessa frågor kan lösas genom effektiv utbildning och rådgivning, och insamling av genomisk data från patienter med psykiatriska störningar bör inte diskvalificeras enbart på grundval av detta. Datan i sig fungerar som en dynamisk hälsoresurs och kan avsevärt främja vår förståelse av den genomiska grunden för flera psykiatriska störningar.

Se även

• Neuroinformatik
• 1000 Genoms Project
• Genomomfattande associationsstudie