Конкурс «био/мол/текст»-2012

Эта работа заняла первое место в номинации «Лучшее новостное сообщение» конкурса «био/мол/текст»-2012.

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

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 адресу www.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 [5–7] и многих других. Интересно, что атлас использовался не только учеными, работающими с мышами, но и теми, кто использует в своих исследованиях крыс [8], [9], дрозофил [10] и даже нематод [11].

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.

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.

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» [16]. — 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

1. Christopher Lau, Lydia Ng, Carol Thompson, Sayan Pathak, Leonard Kuan, et. al.. (2008). Exploration and visualization of gene expression with neuroanatomy in the adult mouse brain. BMC Bioinformatics. 9, 153;
2. Kambiz N Alavian, Horst H Simon. (2009). Linkage of cDNA expression profiles of mesencephalic dopaminergic neurons to a genome-wide in situ hybridization database. Molecular Neurodegeneration. 4, 6;
3. Boris Tabakoff, Laura Saba, Katherina Kechris, Wei Hu, Sanjiv V. Bhave, et. al.. (2008). The genomic determinants of alcohol preference in mice. Mamm Genome. 19, 352-365;
4. Sabah Kelai, Gilles Maussion, Florence Noble, Claudette Boni, Nicolas Ramoz, et. al.. (2008). Nrxn3 upregulation in the globus pallidus of mice developing cocaine addiction. NeuroReport. 19, 751-755;
5. A. Muhammad, I. Flores, H. Zhang, R. Yu, A. Staniszewski, et. al.. (2008). Retromer deficiency observed in Alzheimer's disease causes hippocampal dysfunction, neurodegeneration, and A  accumulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 7327-7332;
6. Scott A. Small. (2008). Retromer Sorting. Arch Neurol. 65;
7. S. Hamamichi, R. N. Rivas, A. L. Knight, S. Cao, K. A. Caldwell, G. A. Caldwell. (2008). Hypothesis-based RNAi screening identifies neuroprotective genes in a Parkinson's disease model. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 728-733;
8. Patrick C. McHugh, Geraldine R. Rogers, Dylan M. Glubb, Melanie D. Allington, Mark Hughes, et. al.. (2008). Downregulation of Ccnd1 and Hes6 in rat hippocampus after chronic exposure to the antidepressant paroxetine. Acta Neuropsychiatr.. 20, 307-313;
9. C. BALL-ROSEN, H. PRIMAK-RUBINOVICZ, A. D. KORCZYN, N. WANG, A. FARCHI, et. al.. (2007). Identification of Histidine-Rich Glycoprotein, a Potential Autoantigen, in Human and Rat Brain Preparations. Annals of the New York Academy of Sciences. 1109, 473-483;
10. Kirk L. Mecklenburg. (2007). Drosophila retinophilin contains MORN repeats and is conserved in humans. Mol Genet Genomics. 277, 481-489;
11. Stephen E Von Stetina, Joseph D Watson, Rebecca M Fox, Kellen L Olszewski, W Clay Spencer, et. al.. (2007). Cell-specific microarray profiling experiments reveal a comprehensive picture of gene expression in the C. elegans nervous system. Genome Biol. 8, R135;
12. Michael J. Hawrylycz, Ed S. Lein, Angela L. Guillozet-Bongaarts, Elaine H. Shen, Lydia Ng, et. al.. (2012). An anatomically comprehensive atlas of the adult human brain transcriptome. Nature. 489, 391-399;
13. Элементы: «„Ген речи“ FOXP2 оказался регулятором высокого уровня»;
14. Kathryn T. Hall, Anthony J. Lembo, Irving Kirsch, Dimitrios C. Ziogas, Jeffrey Douaiher, et. al.. (2012). Catechol-O-Methyltransferase val158met Polymorphism Predicts Placebo Effect in Irritable Bowel Syndrome. PLoS ONE. 7, e48135;
15. Важнейшие методы молекулярной биологии и генной инженерии;
16. Геном человека: как это было и как это будет.