Science:大脑回路的表观基因组成
测序中国 · 2013/07/07
DNA甲基化是表观基因组学的一个重要的变化。科学家发现在发育过程中,DNA甲基化模式在小鼠和人脑大脑皮质进行了广泛的重组。这一研究成果帮助我们理解在儿童阶段DNA如何影响大脑细胞的发育。


表观基因组学的变化,包括DNA的化学修饰,可以作为基因组的一层额外信息。表观基因组学在学习和记忆及年龄相关的认知度方面扮演着重要的角色。新的研究发现从出生到成年,DNA甲基化形式在大脑细胞中是动态变化的,从而帮助理解大脑细胞中基因组学的信息是如何控制胎儿的发育的。大脑比其它器官复杂,这项发现使科学家们可以更深一层地了解大脑中错综复杂的连接是如何形成的。

Joseph R. Ecker表示:“这项研究结果使我们进一步的了解DNA甲基化在大脑发育和功能方面所起的作用。研究者提出了一个新的框架,用于测试表观基因组学在健康和疾病状态下在神经回路中所起的作用。”

一个健康的大脑是一种需要长期开发的产品。大脑最前面的一部分称为额叶皮质,额叶皮质对我们思考和行动能力的形成起着重要的作用。大脑实现这一切通过特殊细胞的交互如神经元和神经胶质。我们知道这些细胞有独特的功能,但是如何定义这些细胞本身呢?答案在于每个细胞如何通过内在的DNA表达信息。表观基因组学的修饰,如DNA甲基化,可以通过基因的开启或关闭来控制,而无需改变DNA的序列,因此可以帮助我们鉴定不同的细胞类型。

据《Science》报道:科学家发现在发育过程中DNA甲基化模式在小鼠和人脑大脑皮质进行了广泛的重组。研究者发现了DNA甲基化在大脑基因组中的准确位点。他们发现DNA甲基化出现在婴儿到成年的整个过程中。引人注目的是,DNA甲基化的第二种形式“non-CG”,几乎是神经元专有的,并且成为了人类神经元基因组学的主要甲基化形式。这些结果帮助我们理解在儿童阶段DNA如何影响大脑细胞的发育。

DNA的遗传密码由四种化学碱基组成:腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶和胸腺嘧啶。DNA甲基化主要发生在CpG位点。大约80%到90%的CpG位点在人类DNA中发生了甲基化。Salk和研究者们先前发现人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞,DNA的甲基化形式也为“non-CG甲基化”。最初,他们认为这种甲基化形式消失当干细胞分化为特殊的组织时如肺或脂肪细胞、目前研究发现这种甲基化形式并没有在大脑中消失,随着细胞的分化仍然出现了“non-CG甲基化”形式。

通过对新生期、青年期和成年期老鼠和人类的脑组织、神经元和胶质进行基因组的测序,Salk团队发现non-CG甲基化在神经元中逐渐积累,并且成为了人类成熟神经元中的主要的甲基化形式。Ecker表示:“这也表明在成熟大脑中神经元回路伴随着表观基因组学大规模重组的过程。”

这项研究第一次提供了在鼠和人类大脑发育过程中DNA甲基化的变化模式,对于探究甲基化与人类疾病的关系打下了基础。最近研究表明DNA甲基化在精神分裂症、抑郁症,自杀和躁郁症疾病中也扮演着重要的角色。Eran Mukamel表示:“我们的工作让我们开始探究关于表观基因组学在大脑细胞中是如何变化的等更多的细节问题。”

Ryan Lister表示:“人类的大脑被称为最复杂的系统。也许我们不应该把这种复杂性延伸到大脑表观基因组学的水平。这些DNA甲基化的特点出现在大脑发育的关键阶段,也表明可能与脑的功能和疾病有关。

目前,神经科学家们达成了共识,即许多精神障碍由于神经发育以及基因易感性与环境的相互作用从而影响大脑的网络活动。

Terrence J. Sejnowski表示:“DNA甲基化在大脑发育过程中是动态变化的,尤其是non-CG甲基化形式,转变的方式与大脑正常的功能和疾病是密切相关的。”

M. Margarita Behrens表示:“这些甲基化模式的转变影响网络的形成,反过来,在后来的生活中引起了大脑的疾病。”

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