Среда, 21 февраля, 2024
ДомойЗдоровьеИнтеллектуальный прорыв: система CHOOSE раскрывает секреты аутизма

Интеллектуальный прорыв: система CHOOSE раскрывает секреты аутизма

- Advertisement -

Прорыв в исследованиях аутизма был достигнут благодаря системе CHOOSE, разработанной исследователями IMBA и ETH Zurich. Эта технология позволяет детально изучать генетические мутации в органоидах головного мозга человека, предлагая глубокое понимание основных механизмов аутизма и открывая путь для более широкого применения исследований заболеваний.

Система CHOOSE, инновационный подход, сочетающий органоиды мозга и генетику, меняет исследования аутизма, позволяя детально анализировать мутации и их влияние на развитие мозга.

Есть ли у человеческого мозга ахиллесова пята, которая в конечном итоге приводит к аутизму? Благодаря революционной новой системе, которая сочетает в себе технологию органоидов мозга и сложную генетику, исследователи теперь могут всесторонне проверять влияние множественных мутаций параллельно и на уровне отдельных клеток в органоидах человеческого мозга.

Эта технология, разработанная исследователями из группы Кноблиха в Институте молекулярной биотехнологии (IMBA) Австрийской академии наук и группы Тройтляйна в ETH Zurich, позволяет идентифицировать уязвимые типы клеток и сети регуляции генов, которые лежат в основе расстройств аутистического спектра. Этот инновационный метод предлагает беспрецедентное понимание одного из самых сложных заболеваний, которые бросают вызов человеческому мозгу, а его последствия приносят столь необходимую надежду клиническим исследованиям аутизма.

Развитие человеческого мозга и риски РАС

По сравнению с другим животным разновидностьЧеловеческий мозг имеет собственный разум. В своем развитии человеческий мозг опирается на уникальные для человека процессы, позволяющие нам построить сложно многослойную и связанную кору головного мозга. Эти уникальные процессы также повышают вероятность нарушений нервного развития у людей.

Например, многие гены, обусловливающие высокий риск развития расстройство аутистического спектра (ASD) имеют решающее значение для развития коры головного мозга. Хотя клинические исследования показали причинно-следственную связь между множественными генетическими мутациями и аутизмом, исследователи до сих пор не понимают, как эти мутации приводят к дефектам развития мозга, а из-за уникальности развития человеческого мозга модели на животных имеют ограниченное применение.

«Только человеческая модель мозга может воспроизвести сложность и особенности человеческого мозга», — говорит научный директор IMBA Юрген Кноблих, один из авторов исследования.

Левая половина: конфокальное изображение мозаичной системы органоидов человеческого мозга CHOOSE (CRISPR-humanorganoids-scRNA-seq), на которой показаны клетки, несущие мутацию, красные. Правая половина: мозаичное изображение разных цветов, представляющих отдельные клетки, каждая из которых несет мутацию в одном гене аутизма с высокой степенью достоверности. Фото: ©Knoblich Lab / IMBA-IMP Graphics

Инновационная система CHOOSE для генетического скрининга

Чтобы помочь взломать этот черный ящик, исследователи из исследовательских групп Юргена Кноблиха и Барбары Трейтляйн в IMBA и ETH Zurich разработали методику скрининга полного набора ключевых генов-регуляторов транскрипции, связанных с аутизмом. Это развитие особенно важно, поскольку интересующие гены можно исследовать одновременно в одном мозаичном органоиде, что знаменует начало эры сложного, эффективного и целесообразного генетического скрининга в тканях человека.

В недавно разработанной системе под названием «CHOOSE» (CRISPR-humanorganoids-scRNA-seq) каждая клетка органоида несет не более одной мутации в определенном гене РАС. Исследователи смогли проследить эффект каждой мутации на уровне отдельной клетки и составить карту траектории развития каждой клетки.

«Благодаря этой высокопроизводительной методике мы можем систематически инактивировать список генов, вызывающих заболевания. По мере роста органоидов, несущих эти мутации, мы анализируем влияние каждой мутации на развитие каждого типа клеток», — говорит первый и соавтор исследования Чонг Ли, научный сотрудник группы Кноблиха.

Высокопроизводительный системный подход

С помощью системы CHOOSE команды IMBA и ETH Zurich продвинули исследования генов, вызывающих заболевания, на целый скачок, предоставив исследователям доступ к универсальному и высокопроизводительному методу, который можно применять к любому заболеванию и в любой модельной системе человека. Важно отметить, что CHOOSE значительно ускоряет анализ по сравнению с традиционными подходами к генетической потере функции.

«Мы можем увидеть последствия каждой мутации в одном эксперименте, что значительно сокращает время анализа по сравнению с традиционными методами, используя подход, который десятилетиями был возможен только на таких организмах, как плодовая мушка», — объясняет Кноблих. «Кроме того, мы все еще можем извлечь пользу из столетней научной литературы о генах, вызывающих болезни».

Параллельная мутация нескольких генов и отслеживание их эффектов позволяют получить огромное количество данных. Чтобы проанализировать этот сложный набор данных, соавтор Барбара Тройтляйн и ее команда из ETH Zurich использовали количественную биоинформатику и машинное обучение подходы.

«Используя эти высокопроизводительные данные об экспрессии отдельных клеток, мы можем количественно определить, является ли данный тип клеток более или менее многочисленным из-за данной мутации, а также мы можем идентифицировать наборы генов, на которые обычно или отчетливо влияет каждая мутация. Сравнивая все генные мутации, мы можем восстановить фенотипический ландшафт этих генетических нарушений, связанных с болезнями», — объясняет Трейтлейн.

Изучение аутизма в процессе развития

Используя систему CHOOSE, исследователи показывают, что мутации 36 генов, которые, как известно, подвергают носителей высокому риску аутизма, приводят к изменениям определенных типов клеток в развивающемся человеческом мозге. Они определили критические транскрипционные изменения, регулируемые через общие сети, называемые «сетями регуляции генов» или GRN. GRN — это набор молекулярных регуляторов, которые взаимодействуют друг с другом, чтобы контролировать определенную функцию клетки, объясняет Ли. «Мы продемонстрировали, что некоторые типы клеток более восприимчивы, чем другие, в процессе развития мозга, и определили сети, которые наиболее уязвимы к мутациям аутизма», — добавляет он.

«Благодаря этому подходу мы узнали, что гены, вызывающие аутизм, имеют некоторые общие молекулярные механизмы», — говорит Кноблих. Тем не менее, эти общие механизмы могут привести к заметно различным эффектам в разных типах клеток.

«Некоторые типы клеток более уязвимы к мутациям, которые приводят к аутизму, особенно некоторые нейронные предшественники — клетки-основатели, которые генерируют нейроны. Это верно в той степени, что патология аутизма может возникнуть уже на ранних стадиях развития мозга. Это указывает на то, что некоторые типы клеток потребуют большего внимания в будущем при изучении генов аутизма», — говорит Ли.

Чтобы подтвердить, имеют ли эти результаты отношение к заболеваниям человека, исследователи объединились с клиницистами Венского медицинского университета и создали органоиды мозга из двух образцов стволовых клеток пациентов. У обоих пациентов были мутации в одном и том же гене, вызвавшие аутизм.

«Органоиды, полученные от обоих пациентов, показали заметные дефекты развития, связанные с определенным типом клеток. Мы могли бы подтвердить эти наблюдения in vitro, сравнив органоидные структуры с пренатальными МРТ головного мозга одного из пациентов», — говорит Кноблих, показывая, что данные по органоидам близко соответствуют клиническим наблюдениям.

За пределами мозга и аутизма…

Помимо получения беспрецедентных знаний о патологии аутизма, команда подчеркивает универсальность и возможность переноса системы CHOOSE. «Мы ожидаем, что наша техника будет широко применяться за пределами органоидов мозга для изучения различных генов, связанных с заболеваниями», — говорит Кноблих.

Благодаря этому новому методу ученые и врачи получают надежный и точно контролируемый высокопроизводительный инструмент скрининга, который значительно сокращает время анализа и дает бесценную информацию о механизмах заболевания.

Ссылка: «Одноклеточный скрининг органоидов головного мозга выявляет дефекты развития при аутизме» Чонг Ли, Йонас Саймон Флек, Катарина Мартинс-Коста, Томас Р. Буркард, Ян Теманн, Марлен Штюмпфлен, Анджела Мария Пер, Абель Вертези, Джейми Б. Литтлбой , Кристофер Эск, Ульрих Эллинг, Грегор Касприан, Нина С. Корсини, Барбара Тройтляйн и Юрген А. Кноблих, 13 сентября 2023 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06473-y

Научный директор IMBA Юрген Кноблих также является профессором синтетической биологии Венского медицинского университета.

Финансирование: Инициатива по исследованию аутизма Фонда Саймонса, Федеральное министерство образования, науки и исследований Австрии, город Вена, Австрийский научный фонд, Европейский исследовательский совет, Инициатива Чана Цукерберга, Фонд сообщества Кремниевой долины, Швейцарский национальный научный фонд, Национальный центр компетенции в области исследований. Инженерия молекулярных систем, Европейская организация молекулярной биологии

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме