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人类大脑发育的新基因组图谱

加利福尼亚州旧金山,2020年6月30日-为了使人类胚胎的新生大脑发育成控制人类意识的复杂器官,必须对基因事件进行精心调整的序列;在精确的交响曲中,数百个基因被激活和失活。这些基因的突变会破坏交响乐的分子工具,如果它们发生在对大脑发育至关重要的基因中,则可能导致神经系统疾病,例如自闭症和癫痫病。长期以来,研究人员一直在努力了解基因组调控区域(即导体而不是仪器)中的突变如何使这一过程出错。

现在,格拉德斯通研究所和加州大学旧金山分校(UCSF)威尔神经科学研究所的研究人员已经建立了与人类胚胎脑发育有关的基因组调控区域的综合区域特定图集。

格拉德斯通数据科学与生物技术研究所所长凯蒂·波拉德(Katie Pollard)博士说:“这为我们提供了部分人类大脑可搜索的,数据丰富的地图集。”“这是探索神经发育障碍潜在生物学的宝贵工具。”

Pollard和UCSF精神病学教授John Rubenstein是这项新研究的资深作者,该研究在线发表在《细胞》杂志上。

人类基因组中只有大约百分之二会编码实际基因。基因组的其余大部分都包含调节元件,即控制何时和何地激活这些基因的导体。例如,对于肝功能特定方面重要的基因不需要在脑细胞中打开,因此需要不同的调节元件来控制那些组织中的基因表达。

当研究人员分析患有神经发育障碍的人的DNA时,他们通常会发现DNA序列中数十种甚至数百种自然变异。但是,这些变体中只有少数可能与疾病本身有关,很难确定重要的变种。

UCSF威尔神经科学研究所博士后研究员Eirene Markenscoff-Papadimitriou博士说:“许多基因组仍然是这个广阔而神秘的地方,因为我们不知道基因组的哪些部分在哪些组织中起作用。” -该论文的第一作者。

在这项新研究中,研究人员研究了人类大脑发育中的一个部分,即端脑。该区域包含负责感官处理,自愿运动,语言和交流的结构。

研究小组利用了一个事实,即在细胞内部,基因组被紧密缠绕成致密的结构,即染色质。这种三维结构通过暴露细胞功能所需的调控DNA片段来揭示任何给定细胞中基因组的重要部分。该团队使用称为ATAC-seq的技术,在胚胎脑细胞中切下了暴露的DNA。通过分析这些切割在何处进行,他们能够推测出基因组的哪些部分被暴露,并可能包含重要的调控区域。

他们的最初实验揭示了发育中的脑细胞中超过103,000个开放染色质区域。为了缩小范围,研究人员转向了机器学习方法。他们编写了一个计算机程序,使用已知的有关调节DNA的信息来帮助识别脑细胞特有的模式。

格拉德斯通研究科学家,第一篇论文的第一作者,肖恩·沃伦博士说:“我们希望将最初的清单缩小到最可能对调节大脑发育至关重要的一小部分。”

例如,如果一个调节区域类似于已知仅在四肢或肺部活跃的区域,那么机器学习程序就会得出结论,它不是脑特异性增强子。最终,该小组提出了一组约19,000个基因组调控区域,这些区域有望在大脑发育中发挥作用。

为了显示新数据集的实用性,研究人员更加仔细地观察了新地图集中出现的基因组的两个部分,这些部分以前也与自闭症和癫痫症有关。他们证明,DNA序列确实在脑细胞中起了增强子的作用,它们具有开启基因的能力。

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