דינמיקה אפיגנומית בהתפתחות המוח וסיכונים להפרעות

תובנות חדשות על התפתחות המוח: מחקר ממפה שינויים בכרומטין הקשורים להפרעות פסיכיאטריות בשלבי טרום לידתי ותינוקות.

לִלמוֹד: דינמיקה רב-אומית תלת-ממדית ברורה זמנית במוח האנושי המתפתח. קרדיט תמונה: Shutterstock AI / Shutterstock.com

במחקר שפורסם לאחרונה ב טֶבַע, חוקרים חוקרים ארגון מחדש של כרומטין וקונפורמציה אפיגנומית במהלך התפתחות הקורטקס הפרה-מצחתי (PFC) וההיפוקמפוס (HPC).

התפתחות מוקדמת של המוח האנושי

המוח האנושי מורכב ממאות סוגי תאים בעלי תכונות מורפולוגיות, מולקולריות, תפקודיות ואנטומיות מגוונות. רוב הנוירונים בקליפת המוח נוצרים במהלך השליש הראשון והשני של ההריון; עם זאת, החתימות המולקולריות המובהקות של תאים אלה מופיעות בין השליש השלישי לגיל ההתבגרות.

מחקרים אחרונים דיווחו על עיצוב מחדש של כרומטין בהתפתחות מוקדמת לאחר לידה. עם זאת, המסלולים של מתילציה של DNA ושינויים בקונפורמציה של כרומטין ברקמות המוח שלפני הלידה לא אופיינו ברזולוציה של תא בודד.

חקירת פיתוח PFC ו-HPC

במחקר הנוכחי, חוקרים חוקרים את הדינמיקה של פיתוח PFC ו-HPC אנושיים באמצעות רצף לכידת קונפורמציה של מתיל-כרומטין חד-גרעיני (3C) (snm3C-seq3). כ-29,700 פרופילי snm3C-seq3 נוצרו מדגימות קליפת מוח קדמית אנושית בוגרים ומתפתחים, בעוד שמעל 23,300 פרופילי snm3C-seq3 בודדו מדגימות HPC.

החוקרים כימתו מידע 3C, כמו גם נתוני מתילציה שאינם ציטוזין-גואנין (לא-CG) ו-CG, בתאים בודדים ברזולוציה של 100 קילו-בסיס (kb). בסך הכל זוהו 139 אוכלוסיות תאים על פני שלבי התפתחות. נוירונים מעוררים הציגו סוגים אפיגנומיים מובהקים ב-HPC וב-PFC, בעוד נוירונים שאינם נוירונים ומעכבים היו משותפים בין שני האזורים.

מתילציה ללא CG מתחילה מוקדם יותר בנוירונים מעכבים ומעוררים HPC מאשר בנוירוני PFC, כאשר מתילציה משמעותית ללא CG נצפתה ב-HPC על ידי 39^ה' שבוע ההריון (GW). לעומת זאת, נוירוני PFC אינם מציגים רמות דומות של מתילציה ללא CG עד הינקות.

אינטראקציות כרומטין ואימות

פרופילי 3C חד-תאיים קובצו לאחר מכן לפי התפלגות המרחק בין לוקוסים המקיימים אינטראקציה. לשם כך, סוגי תאים עצביים הועשרו מאוד באשכולות שנשלטו על ידי אינטראקציות קצרות טווח, בעוד שתאים לא עצביים וגליה הועשרו בצברים שנשלטו על ידי אינטראקציות ארוכות טווח.

נותח גם מערך Hi-C ציבורי ותפזורת של רקמות אנושיות ראשוניות. ניתוח זה הצביע על כך שלפרופילי קונפורמציה של כרומטין מכל הרקמות יש את החתימה LE, ובכך הצביע על כך שכרומטין מין (SE) היה ספציפי לתאי עצב.

מעקב אחר כרומטין וחומצה ריבונוקלאית (RNA) מרובבת שגיאה איתנה פלואורסצנטיות באתרו הכלאה (MERFISH) בוצעה גם כדי לאמת את קונפורמציה של כרומטין SE הספציפי לנוירונים בנוירונים שהתבדלו לאחרונה באמצע ההריון (GW 23).

כרומוזום 14 צולם ברזולוציה של 250 קילובייט על ידי תיוג של 354 לוקוסים גנומיים, המאפשר שחזור של קונפורמציה של 46,023 הומולוגים של הכרומוזום ב-24,099 תאים על פני מקלעת כורואיד, פימבריה ו-HPC.

RNA MERFISH בוצע על אותם קטעי רקמה. בסוגי תאים עצביים, אזורים גנומיים המופרדים במרחקים קצרים של עד חמישה מגה-ביט היו בעלי מרחק מרחבי קומפקטי, ובכך מצביע על תדירות אינטראקציה גבוהה.

אזורים גנומיים דיסטליים הציגו מרחקים פיזיים גדולים יותר, ובכך מרמזים על תדירות אינטראקציה נמוכה. תאים ואבות לא עצביים הפגינו דפוסים הפוכים, שכן ללוקוסים עם מרחקים גנומיים קצרים היו מרחקים פיזיים גדולים יותר, ואילו ללוקוסים גנומיים דיסטליים היו מרחקים מרחביים נמוכים יותר. תוצאות ההדמיה גם אימתו הופעת קונפורמציה SE במהלך ההתמיינות של גליה רדיאלית (RG) לנוירונים מעוררים.

שינויים התפתחותיים במבנה הכרומטין

ציוני חוזק מידור כרומטין נמצאים בקורלציה הפוכה עם יחס האינטראקציה לטווח הקצר והארוך. כתוצאה מכך, סוגי תאים עם קונפורמציה LE היו קשורים לחוזק תא חזק יותר. חוזק התאים היה מווסת גם מבחינה התפתחותית, כאשר אובדן כוח נצפה בין ההיריון האמצעי והמאוחר, ואחריו עלייה במהלך התפתחות נוספת.

נעשה שימוש בניתוח של גישה מבוססת שונות כדי לזהות לולאות כרומטין דיפרנציאליות על פני מסלולי בידול מסוג תא. לולאות כרומטין שנרכשו מבחינה התפתחותית עברו באופן משמעותי את מספר הלולאות האבודות מבחינה התפתחותית בכל המסלולים הנוירונים. באסטרוציטים, המציגים את קונפורמציה LE, מספרים דומים של לולאות הושגו ואבדו במהלך הבידול.

תורשה של הפרעה נוירופסיכיאטרית

יותר מ-2.5 מיליון אזורים מתילטים דיפרנציאליים (DMRs) זוהו על פני שלבי התפתחות וסוגי תאים. ניתוח מוטיב מחייב של גורם שעתוק (TF) גילה שהפעולה הרציפה של TFs ספציפיים לשושלת ותלויי פעילות מעצבת את הנוף הרגולטורי של נוירונים מעכבים ומעוררים.

אלמנטים רגולטוריים המופעלים באמצע ההריון הופכים מועשרים במוטיבים מחייבים של TFs ספציפיים לשושלת. לאחר מפרט השושלת, המוטיבים המחייבים של TFs תלויי פעילות הופכים מועשרים באלמנטים רגולטוריים המופעלים בשלבי ההיריון המאוחרים ובשלבי התינוק.

החוקרים גם כימתו את העשרת התורשה הפוליגנית של הערות שהוגדרו על ידי לולאות כרומטין או DMR עבור כל סוג תא. DMR-מחוברות לולאות הפגינו העשרה משמעותית יותר של תורשתיות מכל ה-DMR, ובכך תמכו בשימוש בלולאות לאיתור גרסאות סיבתיות.

סה"כ 190 לוקוס סיבתי סיבתי של סכיזופרניה ממופים עדינים היו חופפים ל-DMRs ול-DMRs המחוברים ללולאה. נצפה מתאם חזק בין יחס הסיכויים של חפיפה עם וריאנט סיבתי משוער לבין העשרת תורשתיות בין סוגי תאים.

הוערכה גם הדינמיקה ההתפתחותית של העשרה של תורשה של הפרעות נוירופסיכיאטריות באוכלוסיות עצביות. זה חשף דפוסים דומים עבור DMRs ו-DMRs מחוברי לולאה על פני מסלולי התפתחות; עם זאת, ל-DMR המחוברים ללולאות הייתה העשרה כללית גבוהה יותר של תורשה.

העשרת התורשה הפוליגנית להפרעה דו קוטבית וסכיזופרניה עלתה מאבות נוירו לנוירונים פוסט-מיטוטיים מוקדמים ובהמשך לנוירונים פוסט-מיטוטיים בהריון מאוחר. בסך הכל, הייתה עלייה התפתחותית עקבית בהעשרת תורשתיות עבור הפרעות נוירו-פסיכיאטריות אלו בין אבות נוירו ונוירונים בתינוקות, אשר ירדה במוח הבוגר.

מסקנות

ממצאי המחקר מדגישים את המעברים הדינמיים מאבות לאוכלוסיות גליה ונוירונים מהטרימסטר השני והשלישי לתקופת היילוד. עיצוב מחדש של מבנה הכרומטין העצבי ומתילום במהלך התפתחות סב-לידתית מצביע על כך שהמוח האנושי רגיש להפרעות סביבתיות וגנטיות.

נראה כי הסיכון הגנטי להפרעה דו קוטבית וסכיזופרניה מגיע לשיא גם במהלך השליש השלישי והינקות. בסך הכל, הנתונים מספקים משאבים מולטי-מודאליים לחקר הדינמיקה הרגולטורית של הגנים במוח המתפתח וממחישים כי מולטי-אומיקה חד-תאית היא כלי רב עוצמה לתחום מיקומי סיכון נוירו-פסיכיאטריים.