El análisis genómico más completo del cerebro humano jamás realizado ha revelado nuevos conocimientos sobre los cambios que experimenta a través del desarrollo, cómo varía entre los individuos y las raíces de las enfermedades neuropsiquiátricas, como los trastornos del espectro autista y la esquizofrenia.
El análisis multiinstitucional de casi 2,000 cerebros integra la coreografía compleja del desarrollo y la función del cerebro y se publicó el 14 de diciembre en 11 estudios que aparecen en una edición especial de la revista ciencia y dos publicaciones hermanas.
Cuatro de los principales estudios fueron encabezados por investigadores de una variedad de disciplinas en la Universidad de Yale, que lidera una iniciativa ambiciosa que une la neurociencia y la ciencia de datos. Los documentos de investigación dirigidos por Yale ilustran la gran cantidad de nuevas herramientas que los científicos en 15 instituciones están empleandoencontrar la base molecular de las enfermedades neuropsiquiátricas: el objetivo del Consorcio PsychENCODE fundado en 2015 por los Institutos Nacionales de Salud.
El gran alcance de los datos recopilados sobre la actividad de genes individuales y las redes reguladoras que los controlan en el curso del desarrollo permitió a los científicos de datos evaluar el riesgo de enfermedades como la esquizofrenia y el trastorno bipolar con hasta seis veces más precisión que la tradicionalanálisis de variantes de riesgo genético conocidas, según una investigación dirigida por Mark Gerstein, profesor de informática biomédica Albert L Williams de Yale; profesor de biofísica molecular y bioquímica, ciencias de la computación y estadística y ciencia de datos; y co-autor corresponsal de dos de los principales ciencia papeles
Los investigadores también descubrieron que estas variantes de riesgo pueden influir en la función de los genes muy temprano en el desarrollo y durante toda la vida, pero tienen una mayor probabilidad de manifestarse como síntomas, ya que forman grupos o módulos distintos durante las diferentes etapas del desarrollo.
Los resultados del laboratorio de Nenad Sestan de Yale explican por qué el riesgo de desarrollar muchas enfermedades neuropsiquiátricas como el autismo y la esquizofrenia puede variar con el tiempo. Sestan es profesor de neurociencia, medicina comparativa, genética y psiquiatría, y su correspondencia o correspondenciaautor de dos de los principales ciencia papeles,
El desarrollo saludable del cerebro y la función neurológica dependen de la regulación precisa de la expresión génica, que varía sustancialmente según la región y el tipo de célula en el cerebro humano. El laboratorio de Sestan descubrió que las diferencias en los tipos de células entre 16 regiones del cerebro humano durante el desarrollo pueden ser clavefactor para determinar si el riesgo genético se traduce en un trastorno neuropsiquiátrico.
También encontraron que la mayor variación en los tipos de células y la actividad de expresión génica ocurre temprano en el desarrollo prenatal, disminuye al final del embarazo y en la primera infancia, y comienza a aumentar nuevamente en la adolescencia temprana. Este patrón de desarrollo "similar a una copa" escompartida por los monos macacos rhesus, una especie de primates estrechamente relacionada con los humanos. Además, el mismo estudio dirigido por el laboratorio de Sestan también identificó características del desarrollo del cerebro que difieren entre humanos y macacos, incluidas las firmas únicas de expresión génica de la infancia tardía humana.
Los investigadores encontraron que es durante estos períodos de mayor cambio en el desarrollo que los genes de susceptibilidad al riesgo tienden a formar redes o módulos distintos en ciertas áreas del cerebro. Los módulos vinculados con el autismo tienden a formarse temprano en el desarrollo y los relacionados con la esquizofreniaasí como el coeficiente intelectual y el neuroticismo, tienden a formarse más tarde en la vida. Esto puede explicar por qué los trastornos neuropsiquiátricos como el autismo aparecen en la primera infancia y la esquizofrenia aparecen en la adultez temprana, dicen los investigadores. El análisis también muestra cómo los genes vinculados a la enfermedad también se expresan en células específicastipos, lo que ayuda a determinar el alcance y el efecto de variaciones genéticas específicas asociadas a enfermedades.
Los eventos moleculares que conducen a trastornos neuropsiquiátricos pueden preceder a los síntomas por meses o incluso años, informan los investigadores.
"Los factores de riesgo de enfermedad siempre están presentes, pero no se manifiestan por igual en el tiempo y el espacio", dijo Sestan.
Los cambios en el cerebro fueron rastreados en un sistema vivo utilizado por el laboratorio de Flora Vaccarino, el profesor Harris de Yale en el Child Study Center y profesor en el Departamento de Neurociencia, y co-autor correspondiente de uno de los principales ciencia documentos. Los investigadores persuadieron a las células madre humanas derivadas del tejido de los individuos para que se convirtieran en organoides cerebrales, una colección de tipos de células neurales que imitan en el cultivo celular el desarrollo temprano del cerebro humano. Los organoides recapitularon el desarrollo del cerebro humano del primer trimestre,cuando las células madre neurales comienzan a diferenciarse en la multitud de tipos de neuronas que forman el cerebro. Este sistema permitió a los investigadores identificar y seguir con el tiempo las redes reguladoras de genes activas en el desarrollo cortical temprano, un período que conlleva un considerable riesgo genético y ambiental para los trastornos del desarrollodescubrieron que los genes de riesgo de autismo conocidos, así como los elementos reguladores que controlan su actividad, se expresan altamente en los organoides en esta etapa. Las variantes de riesgo genético previamente vinculadas al autismo y que perturban los elementos reguladores estaban activas enlos organoides, informan.
"Este modelo puede revelar potencialmente cómo esas variantes de riesgo genético conducen a la enfermedad", dijo Vaccarino.
Las enormes cantidades de información recopilada por los investigadores de PsychENCODE se han organizado en un "atlas" de datos accesible. Esto permite a los científicos de datos emplear análisis de aprendizaje profundo o un enfoque de aprendizaje automático inspirado libremente por la cognición humana para encontrar pistas para combatir la progresiónde los trastornos neuropsiquiátricos en individuos. Por ejemplo, los científicos ahora pueden integrar información de secuenciación de células individuales con mediciones genómicas más tradicionales de muestras de tejido "a granel" y capturar las diferencias entre una gran población de personas en diferentes etapas de desarrollo. Este enfoque permitió a Gersteinlaboratorio para mostrar que muchas de las diferencias en la expresión génica entre individuos se debieron a proporciones cambiantes de los tipos de células básicas, como las neuronas excitadoras
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Yale . Original escrito por Bill Hathaway. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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