Nuevo atlas genómico del cerebro humano en desarrollo
La directora del Gladstone Institute of Data Science and Biotechnology Katie Pollard (izquierda), trabajó con John Rubenstein, Eirene Markenscoff-Papadimitriou y Sean Whalen para mapear las regiones genómicas que controlan el desarrollo de el cerebro humano. Crédito: Foto: Gladstone Institutes
Para que el cerebro naciente de un embrión humano se convierta en el órgano complejo que controla la conciencia humana, tiene que ocurrir una secuencia finamente sintonizada de eventos genéticos; cientos de genes se activan y desactivan en una sinfonía precisa. Las mutaciones en estos genes alteran los instrumentos moleculares de la sinfonía y, si ocurren en genes que son importantes para el desarrollo del cerebro, pueden provocar enfermedades neurológicas como el autismo y la epilepsia. Los investigadores han luchado durante mucho tiempo para comprender cómo las mutaciones en las regiones reguladoras del genoma (los conductores, en lugar de los instrumentos) también pueden hacer que este proceso salga mal.
Ahora, los investigadores de los Institutos Gladstone y el Instituto Weill de Neurociencias de la UC San Francisco (UCSF) han creado un atlas completo específico de la región de las regiones reguladoras del genoma vinculadas al desarrollo del cerebro embrionario humano.
» Esto nos brinda un atlas de búsqueda y rico en datos de parte del cerebro humano en desarrollo», dijo Katie Pollard, Ph.D., directora del Instituto Gladstone de Ciencia de Datos y Biotecnología. «Esta es una herramienta valiosa para investigar la biología subyacente de los trastornos del neurodesarrollo».
Pollard y el profesor de psiquiatría de la UCSF, John Rubenstein, son los autores principales del nuevo estudio, publicado en línea en la revista Cell.
Solo alrededor del dos por ciento del genoma humano codifica genes reales. Gran parte del resto del genoma contiene elementos reguladores, los conductores que controlan cuándo y dónde se activan esos genes. Los genes importantes para aspectos específicos de la función hepática, por ejemplo, no necesitan activarse en las células cerebrales, por lo que se necesitan diferentes elementos reguladores para controlar la expresión génica en esos tejidos.
Cuando los investigadores analizan el ADN de personas con trastornos del neurodesarrollo, a menudo descubren docenas, si no cientos, de variaciones naturales en las secuencias de ADN. Sin embargo, solo una minoría de esas variantes puede estar relacionada con el trastorno en sí, y es difícil precisar cuáles son importantes.
«Gran parte del genoma sigue siendo este lugar vasto y misterioso porque no sabemos qué partes del genoma desempeñan funciones en qué tejidos», dijo Eirene Markenscoff-Papadimitriou, Ph.D., investigadora postdoctoral en el Instituto Weill de Neurociencias de la UCSF y coautora principal del artículo.
En En el nuevo estudio, los investigadores estudiaron células de una sección del cerebro humano en desarrollo llamada telencéfalo. Esta región contiene estructuras responsables del procesamiento sensorial, el movimiento voluntario, el lenguaje y la comunicación.
El equipo aprovechó el hecho de que, dentro de las células, el genoma está estrechamente enrollado en una estructura densa conocida como cromatina. Esta estructura tridimensional revela las partes importantes del genoma en cualquier célula dada al exponer los tramos de ADN regulador necesarios para que la célula funcione. Usando una tecnología llamada ATAC-seq, el equipo cortó el ADN expuesto en células cerebrales embrionarias. Al analizar dónde se realizan estos cortes, pudieron conjeturar qué partes del genoma están expuestas y podrían contener regiones reguladoras importantes.
Sus experimentos iniciales revelaron más de 103 000 regiones de cromatina abierta en las células cerebrales en desarrollo. . Para reducir esa lista, los investigadores recurrieron a un enfoque de aprendizaje automático. Escribieron un programa de computadora que usa información ya conocida sobre el ADN regulador para ayudar a seleccionar patrones específicos de las células cerebrales.
«Queríamos reducir esta lista inicial a un conjunto más pequeño que era el más probable importante para regular el desarrollo del cerebro», dijo el científico de investigación de Gladstone, Sean Whalen, Ph.D., coautor del nuevo artículo.
Si una región reguladora fuera similar a una que se sabe que solo está activa en las extremidades o pulmones, por ejemplo, el programa de aprendizaje automático concluyó que no era un potenciador específico del cerebro. Al final, el grupo ideó un conjunto de unas 19 000 regiones reguladoras del genoma que se espera desempeñen un papel en el desarrollo del cerebro.
Para mostrar la utilidad del nuevo conjunto de datos, los investigadores observaron más de cerca dos secciones del genoma que aparecieron en el nuevo atlas que también habían sido previamente implicadas en el autismo y la epilepsia. Las secuencias de ADN, demostraron, efectivamente actuaron como potenciadores en las células cerebrales: tenían la capacidad de activar genes.
«Ahora podemos usar este enfoque para preguntar cómo todo tipo de otras mutaciones afectan a las células no codificantes». genoma», dijo Markenscoff-Papadimitriou. «Este atlas nos señala la dirección de regiones específicas del cerebro que se ven afectadas por mutaciones genéticas».
Si un equipo de investigación encuentra cientos de variantes genéticas asociadas con una enfermedad del neurodesarrollo, por ejemplo, ahora pueden usar el atlas para cotejar qué variantes forman parte de las 19.000 regiones identificadas como críticas para el desarrollo del cerebro. Eso puede ayudarlos a concentrarse en qué variantes vale la pena realizar estudios de seguimiento, en lugar de pasar meses probando variantes genéticas que terminan sin estar relacionadas con la enfermedad.
«Creemos que nuestros datos ayudarán a muchos otros grupos de investigación avanzan en su trabajo», estuvo de acuerdo Whalen. Más allá de estudiar enfermedades, dice que el recurso será útil para la ciencia básica sobre cómo se desarrolla el cerebro.
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Nuevo método creado para identificar genes detrás de tumores cerebrales Más información: Eirene Markenscoff-Papadimitriou et al. Atlas de accesibilidad a la cromatina del telencéfalo humano en desarrollo. Célula. 30 de junio de 2020DOI:doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.002 Información de la revista: Cell
Proporcionado por Gladstone Institutes Cita: Nuevo atlas genómico de el cerebro humano en desarrollo (2020, 30 de junio) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-06-genomic-atlas-human-brain.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.