Транскриптóм — это совокупность транскриптов, синтезируемых клеткой, включая мРНК и некодирующие РНК. Транскриптом отражает профиль экспрессии генов в данный момент времени и, в отличие от генома, может сильно меняться в зависимости от условий окружающей среды. Таким образом, транскриптом характеризует функциональную активность одной клетки, группы клеток, определенной ткани или даже целого организма. Специалисты из Института Аллена под руководством Аллана Джонса составили транскриптомный атлас мозга человека, который позволит не только расширить наши знания о функциях отдельных зон мозга, но и лучше понять причины заболеваний центральной нервной системы.
| ||
Эта работа заняла первое место в номинации «лучшее новостное сообщение» конкурса «био/мол/текст»-2012.
Спонсор конкурса — дальновидная компанияЛайф Текнолоджиз. От простого к сложному
В 2001 Поль Аллен основал в Сиэттле (США) Институт исследования мозга (Allen Brain Institute). Поскольку начинать сразу с мозга человека было бы слишком самонадеянно, первым проектом Института стал Allen Mouse Brain Atlas — атлас транскриптома головного мозга мыши. Проект был начат в 2004 году и завершен за 2 года.
Целью этого исследования было, во-первых, подробное гистологическое изучение морфологии мозга, а во-вторых, исследование транскриптома с помощью гибридизации in situ (см. врезку).
Результат представляет собой полноценную базу данных, где собрана информация о том, в каком участке мозга какие гены работают. Данные представлены как в виде фотографий классических срезов мозга, так и в виде цифрового трехмерного изображения (рис. 1).
Важной особенностью проекта Allen Mouse Brain Atlas было решение авторов выложить все результаты в открытый доступ по адресуwww.brain-map.org, где любой желающий может найти информацию об экспрессии конкретного гена в конкретной зоне. Все данные доступны для скачивания, а для опытных пользователей был разработан ряд программ, например NeiroBlast, который позволяет находить гены с одинаковым паттерном экспрессии.
За шесть лет Allen Mouse Brain Atlas стал важным источником информации для экспериментальных работ, в том числе при изучении работы дофаминэргической системы мозга [2], аддиктивного поведения [3, 4], разработке моделей для исследования заболеваний нервной системы
Работа над картой мозга мыши позволила оптимизировать экспериментальные методы для автоматизированной потоковой работы, разработать необходимое программное обеспечение и способы обработки больших массивов данных. Благодаря приобретенному опыту Институт Аллена смог приступить к построению транскриптомной карты головного мозга человека.
Раздел для любителей технических деталей
Две основные методики этого исследования Allen Brain Atlas называются гибридизацией in situ и методом РНК-микрочипов (по-английски его обычно называют microarray). Оба они основаны на принципе комплементарности азотистых оснований.
Гибридизация in situ
Образование водородных связей по принципу комплементарности между первой молекулой РНК (исходно присутствующей в клетке) и второй (созданной экспериментатором) с образованием двуцепочечного комплекса называется гибридизацией. In situ (лат. «на месте») добавляют к названию метода, т.к. гибридизация РНК в этом случае производится непосредственно там, где клетки производят РНК — в образце ткани. Если пометить комплементарную молекулу РНК и обработать раствором таких молекул образец ткани, то можно визуализировать клетки, производящие данную РНК.
См. также ролики:
РНК-микрочипы
Метод микрочипов также основан на способности РНК к гибридизации. Этот метод можно использовать в крупномасштабных скринингах для регистрации малого количества РНК с высокой чувствительностью.
Микрочипы — это небольшие пластинки, на которые нанесены олигонуклеотидные пробы. Каждая такая проба содержит большое число копий определенной молекулы РНК. Выделенная из кусочка изучаемой ткани РНК метится с помощью радиоактивных изотопов или флуоресцентных красителей, и полученный раствор наносится на чип. Молекулы РНК гибридизуются с комплементарными молекулами из тех, что представлены в пробах. Изучив сигнал от меток, можно определить, какие виды РНК присутствуют в образце, и их относительное количество: чем ярче сигнал от определенной пробы, тем больше представителей этого вида РНК было в растворе.
См. также:
Транскриптом мозга человека
«Анатомически подробный атлас транскриптома головного мозга взрослого человека», — так называется статья ученых Института Аллена, опубликованная 20 сентября 2012 в журнале Nature [12]. Схема работы над атласом человеческого мозга мало отличалась от таковой для мозга мыши (рис. 2). Поскольку в распоряжении исследователей было всего два образца (аутопсийный материал из банка тканей Университета Мерилэнд и донорской программы Института Калифорнии), кроме окрашенных срезов для изучения морфологи мозга была использована магнитно-резонансная томография. Для исследования экспрессии генов был использован метод РНК-микрочипов (тогда как в случае мозга мыши применялся метод гибридизации in situ). После исследования структуры срезы разделялись на более мелкие фрагменты — в итоге их было чуть более 900 для каждого из двух образцов. Затем из ткани выделялись все молекулы РНК, и полученный раствор наносился на специально разработанные микрочипы (см. врезку). В общей сложности было использовано 20 тысяч разных проб, покрывающих 93% известных генов человека (такое странное число можно объяснить тем, что, несмотря на почти полностью прочтенную последовательность генома человека, некоторые гены все еще не представлены в молекулярных базах последовательностей).
Следующим этапом после всестороннего молекулярно-биологического анализа был биоинформатический анализ данных. Прежде всего, так же как и для мозга мыши, был составлен атлас мозга. Данные по транскриптому были приведены в соответствие с анатомическими координатами, что позволяет определить, в каких участках мозга экспрессируется тот или иной ген, и наоборот — какие белки производят клетки в конкретной зоне мозга. После этого ученые проанализировали закономерности транскрипции тех или иных генов. Их интересовало, есть ли отделы мозга, схожие по своему транскриптому, и можно ли выделить внутри традиционных анатомических зон мозга области с разными профилями экспрессии.
Как и ожидалось, исследователи обнаружили большие различия транскриптома между отдельными зонами мозга. Экспрессия разных генов соответствует разным функциям клеток, поэтому отвечающая за эмоции миндалина совсем не похожа на центр координации движений (мозжечок), и оба они по профилю экспрессии разительно отличаются от гиппокампа (отдела, связанного с работой памяти). Однако если рассмотреть отдельно лишь кору больших полушарий, в ней наблюдается удивительное единообразие транскриптов. Прежде всего, бросается в глаза отсутствие различий между двумя полушариями. Получается, что латерализация — предпочтительное использование левой или правой руки, доминирование левого или правого глаза и др. — не имеет под собой никакой биохимической основы на уровне экспрессии генов. Кстати, отсутствие разницы между транскриптами полушарий является аргументом и против популярного представления о том, что для левого и правого полушарий характерны разные типы мышления (межполушарная асимметрия). Хотя все эти явления могут объясняться различиями на более высоких уровнях организации нервной ткани.
Деление коры на извилины в течение долго времени использовалось нейробиологами и психиатрами как способ выделения функциональных зон (зрительная, соматосенсорная, моторная). Согласно данным Института Аллена, независимо от расположения извилин все клетки коры больших полушарий человеческого мозга экспрессируют один и тот же набор генов, а значит, устроены и работают очень похоже друг на друга. Этот неожиданный результат потребовал дальнейшего изучения: оказалось, что, несмотря на сходство транскриптома, экспрессия некоторых генов все-таки различается между отдельными участками коры. Дополнительный анализ данных выявил пять групп генов, экспрессия которых специфична для пяти разных анатомических зон. Интересно, что эти зоны соответствуют традиционному разделению коры на доли (рис. 3). Этот результат, несомненно, требует дальнейших исследований — подробное изучение функций генов в каждой из групп должно помочь в объяснении молекулярно-клеточных основ функциональных различий этих зон.
Рисунок 3. Слева: Генетическая топография коры согласно данным Allen Human Brain Atlas (разными цветами обозначены группы генов). Рисунок из [12]. Справа: Классическая морфологическая топография коры больших полушарий.
По масштабу проект Алленовского атласа человеческого мозга можно сравнить с проектом «Геном человека»*. Прежде всего, этот атлас дает надежды на успешный поиск новых подходов к лечению заболеваний нервной системы, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, аутизм и т.п. Разработанный метод анализа позволит сравнивать транскриптомы мозга больных со здоровым контролем, что даст возможность понять молекулярные основы заболевания. Сравнение транскриптома мозга человека и приматов позволит разобраться со многими вопросами эволюции человека (например, почему люди так преуспели в вербальной коммуникации и при чем тут печально известный «ген речи» [13]).
* — Довольно подробный разбор этой программы приводится в статье «Геном человека: как это было и как это будет». — Ред.
Большой интерес представляет исследование функций малоизученных генов, экспрессия которых была обнаружена при составлении атласа. Вероятно, они могут пролить свет на ранее неизвестные или малоизученные аспекты работы мозга и его взаимодействия с другими органами, как например, недавнее открытие роли гена COMT в проявлении эффекта плацебо [14].
Одним словом, сегодня еще рано судить обо всех возможностях, открывающихся с появлением атласа транскриптома мозга человека, однако не будет преувеличением сказать, что нейробиологи получили новый мощный инструмент для своих исследований.
Литература
| ||
четверг, 4 июля 2013 г.
Allen Brain Atlas: транскриптом мозга
