Snaha zjistit, zda mutace našeho mozku ovlivňují duševní zdraví

Po celá léta se vědci snažili najít gen pro stavy, jako je schizofrenie, Alzheimerova choroba a autismus. Ale skutečný zdroj by mohl ležet v mnohem složitější genetické hádance.

Podle

• Roxanne Khamsiová archivní stránka

25. srpna 2021

Tony Luong

Když se Mike McConnell rozhodl, na čem chce strávit svou kariéru prací, bylo mu 29 let, inspirovalo ho to začít studovat doktorát – a byt se rozpadl. Na hodinách biologie se naučil, že imunitní buňky v těle neustále přeskupují svou vlastní DNA: to jim umožňuje chránit nás vytvářením receptorů ve správných tvarech, které se vážou na invazivní patogeny. Když na konci 90. let ve Virginii dokončil magisterský titul z imunologie, byl tím posedlý u piva se svými spolubydlícími. Najednou tato myšlenka zapadla, vzpomíná McConnell. Pokud přeuspořádání genů pomohlo fungování imunitního systému, kde jinde by se to mohlo stát? A co mozek? Nebylo by hezké, kdyby neurony udělaly něco takového? myslel.

V té době většina vědců předpokládala, že buňky v normálním nervovém systému mají identické genomy. Ale McConnell prohledal vědeckou literaturu a zjistil, že není jediný, kdo je na stopě této otázky: neurovědec jménem Jerold Chun na Kalifornské univerzitě v San Diegu na tom již pracovali. Napsal Chunovi a přesvědčil ho, aby ho nechal nastoupit do své laboratoře na západním pobřeží. Byl tu jen jeden problém: McConnell si nemohl dovolit se tam dostat.

Tento příběh byl součástí našeho vydání ze září 2021

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Byl už hladovějícím postgraduálním studentem, který neměl žádné peníze na opravu svého námořního Mustangu z roku 1966 – a jako první člověk v jeho rodině šel na vysokou školu, neměl přístup k mnoha zdrojům. Neměl jsem nikoho, kdo by mi shodil nějaké náklady na stěhování na klín nebo podobné věci, vysvětluje. Chun mu dal 1 000 dolarů, aby opravil rozbité auto a dostal se přes celou zemi, aby mohl začít testovat svou hypotézu.

Pomocí speciálních barviv k obarvení chromozomů neuronů z myších embryí a dospělých myší McConnell doufal, že zjistí, že neurony prošly stejným typem genetického přeuspořádání jako v imunitních buňkách, což přineslo spíše rozmanitost než dokonalé kopie, které by většina výzkumníků očekávala. Místo toho však neustále nacházel mozkové buňky, které měly špatný počet chromozomů.

Mike McConnell strávil svou kariéru učením se o mozkové mozaice: Vzali jsme tento bláznivý nápad vážně.

NOAH WILLMAN

To bylo překvapení. Když se buňky dělí, replikují svou DNA pro své dceřiné buňky. Někdy jsou kopie genů náhodně přidány nebo ztraceny, což bylo – na rozdíl od přeskupování v chromozomech, které je prospěšné pro imunitní systém – považováno za velmi škodlivou chybu. Nedávalo smysl, že by neurony mohly přežít tak obrovskou změnu ve svém genetickém materiálu. Ale McConnell neustále nacházel aberantní neurony s nadbytečnými nebo chybějícími chromozomy. Nakonec musel přehodnotit vědecké předpoklady. Vzali jsme ten bláznivý nápad vážně, říká. Postdoktorand v laboratoři jménem Stevens Rehen měl zkušenosti s kultivací neuronů pro studium, což umožnilo analyzovat data.

Experimenty týmu UCSD, publikované v roce 2001, ukázaly, že centrální nervový systém vyvíjejících se myších embryí neobsahoval dokonalé genetické kopie . Místo toho vědci navrhli, že přibližně třetina neuronů z každého myšího embrya v průměru ztratila chromozom nebo získala jeden navíc. Výsledkem bylo to, co je známé jako genetická mozaika. Zatímco mnoho z těchto buněk nepřežilo, některé se dostaly do mozku dospělých myší. McConnell, Chun a jejich spoluautoři přemýšleli, co by taková genetická mozaika mohla znamenat. Možná by to u lidí mohlo být faktorem přispívajícím k neurologickým poruchám nebo dokonce psychiatrickým onemocněním. V každém případě to byla časná stopa, že konvenční představa o geneticky identických mozkových buňkách byla mylná.

V té době vědci, kteří se snažili porozumět biologii duševních nemocí, hledali hlavně genetické mutace, které se vyskytly blízko okamžiku početí, a tak se odrazily ve všech buňkách člověka. Objevily se dráždivé stopy, že za určité stavy může být zodpovědný jediný gen. V roce 1970 se například zjistilo, že skotský teenager s nevyzpytatelným chováním má zlomenou oblast genu – a ukázalo se, že jeho příbuzní s duševním onemocněním vykazovali stejnou anomálii. Trvalo tři desetiletí, než se podařilo izolovat chybu, kterou výzkumníci pojmenovali DISC1 (pro narušenou schizofrenii). Navzdory přibližně 1 000 publikovaných výzkumných prací zůstává otázka, zda se DISC1 – nebo jakýkoli jiný jednotlivý gen – podílí na schizofrenii, velmi diskutovanou . Hrstka dalších geny byli také zkoumáni jako možní viníci a poukázala na to jedna studie celého lidského genomu více než 120 různých míst kde se zdálo, že mutace zvyšují riziko onemocnění. Ale po tomto rozsáhlém hledání genu pro schizofrenii žádný jediný gen resp mutace Zdá se, že dosud studovaný vliv má dostatečně velký vliv na to, aby byl považován za definitivní příčinu – dokonce ani DISC1.

Ve skutečnosti vědci bojovali s hledáním specifických genů za většinou mozkových poruch, včetně autismu a Alzheimerovy choroby. Na rozdíl od problémů s některými jinými částmi našeho těla není velká většina projevů mozkových poruch spojena s identifikovatelným genem, říká Chun, který je nyní v Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute v La Jolla v Kalifornii.

Ale studie UCSD navrhla jinou cestu. Co když to nebyl jediný vadný gen – nebo dokonce řada genů – který vždy způsoboval kognitivní problémy? Co když by to mohly být genetické rozdíly mezi buňkami?

Vysvětlení se zdálo přitažené za vlasy, ale více výzkumníků je začalo brát vážně. Vědci již věděli, že 85 až 100 miliard neuronů ve vašem mozku funguje do určité míry ve shodě – ale chtějí vědět, zda existuje riziko, když některé z těchto buněk mohou zpívat jinou genetickou melodii.

Zbavit se dogmatu

McConnell, kterému je nyní 51, strávil většinu své kariéry tím, že se na tuto otázku snažil odpovědět. Se svými profesorskými krátkými plnovousy, hranatými brýlemi a mírným surfařským límcem působí zpočátku uvolněně. Ale je tu také intenzita: vypadá trochu jako mladší verze hollywoodské hvězdy Liama ​​Neesona se zasmušilýma, temperamentníma očima a svraštěným obočím. Poté, co získal doktorát, McConnell si znovu sbalil kufry a přestěhoval se do Bostonu, aby zahájil postdoktorandskou pozici na Harvard Medical School. Ale byl neklidný. Nelibovalo mu chladnější klima a toužil vrátit se do Kalifornie a znovu si prostudovat údaje, které tam našel o genetických rozdílech v mozku. Myslel jsem, že mozaika je to nejzajímavější, na čem jsem mohl pracovat, vzpomíná a zametl si konečky hnědých vlasů za uši, a jedna bostonská zima mi San Diego opravdu chyběla.

Začal si dopisovat s Rustym Gagem, neurovědcem ze Salk Institute for Biological Studies v San Diegu. Gage se také zajímal o genetickou rozmanitost, ale nejvíce se proslavil tím, že tlačil proti jinému vědeckému dogmatu. Lidé dlouho předpokládali, že dospělí nikdy nevytvářeli nové neurony, ale Gage vedl skupinu, která koncem 90. let publikovala článek podrobně popisující nově narozené buňky v oblasti mozku zvané hippocampus.

Publikace – zakládající důkaz toho, co se nazývá neurogeneze dospělých – mu dala pověst individualisty, který se nebál stát za provokativními nápady.

Nepříliš dlouho poté, co tým UCSD zveřejnil svůj článek o mozaicismu v mozku, Gage narazil na další fenomén, který by mohl vysvětlit, jak vzniká genetická rozmanitost v nervovém systému.

Již bylo známo, že buňky mají kousky DNA nazývané dlouhé rozptýlené jaderné prvky nebo LINE, které přeskakují kolem genomu. Gage a jeho kolegové ukázali, že to může také způsobit vznik mozaiky. V jednom experimentu se u myší zkonstruovaných tak, aby nesly prvky lidské DNA známé jako LINE-1, v důsledku toho vyvinuly geneticky odlišné buňky v jejich mozku.

Stejně jako u své práce o neurogenezi se Gage zpočátku setkal se skepsí. Myšlenka, že LINE - které mnozí považovali za nevyžádanou DNA - by mohly způsobit genetickou rozmanitost v mozkových buňkách, byla v rozporu s převládající moudrostí. Věděli jsme, že narazíme na pilu, vzpomíná.

Ale Gage a jeho spolupracovníci stále hledali další důkazy. Po studii na hlodavcích se on a jeho spoluhráči podívali na lidský mozek. O čtyři roky později zveřejnili analýzu posmrtných vzorků, která to zjistila LINE-1 se zdály být zvláště aktivní v lidských mozkových tkáních .

McConnell si o tom všem dopisoval s Gagem, včetně chromozomové variace, kterou našel v myších neuronech, když pracoval v Chunově laboratoři. Začátkem roku 2009 si zajistil stipendium s Gagem v Salk Institute. Tam hledali důkazy o stejném jevu v lidských neuronech a po pouhých pár letech je našli.

V rámci experimentu, který se objevil v Science v roce 2013, použili novou technologii zvanou jednobuněčné sekvenování genomu. Tato technika by mohla izolovat a přečíst DNA z individuální buňky; do té doby byli vědci schopni analyzovat extrahovaný genetický materiál pouze ze sdružených vzorků buněk.

Pomocí posmrtných vzorků frontálního kortexu od tří zdravých jedinců aplikovali metodu na desítky neuronů a zjistili, že až 41 % buněk mělo buď chybějící nebo nadbytečné kopie genu. Tato variace byla hojná, došli k závěru a přispělo to k mozaice genetických rozdílů v mozku.

Místo toho, abychom byli geneticky jednotní, se ukázalo, že náš mozek je prosycen genetickými změnami. Máme za sebou příběh o tom, zda se to stane, nebo ne, říká Gage. Tyto mozaikové události se dějí. Velmi mi to připomíná, kde jsem byl s neurogenezí dospělých. Když se všichni konečně shodli, že se to stalo, museli jsme přijít na to, co to způsobilo.

Rozšíření hledání

Po zveřejnění dat z lidských mozků McConnell necítil, že by se chtěl vrátit ke studiu myší. Když tedy přišel čas, aby si na univerzitě ve Virginii zřídil vlastní laboratoř, okamžitě se vydal hledat lidské vzorky. První tři roky jsem se jako odborný asistent snažil najít mozky, vzpomíná.

Pár let poté, co přistál ve Virginii, dostala mise porozumět konstelaci mutací v mozku důležitou podporu. Národní institut duševního zdraví dal 30 milionů dolarů konsorciu včetně Gage, McConnell a dalších, aby mohli pokračovat ve vyšetřování somatické mozaiky. (Somatické, z řečtiny pro tělo, označuje mutace, které vznikají během života člověka, spíše než ve spermatu nebo vaječných buňkách rodičů jedince.)

Síť obsahovala výzkumné skupiny zkoumající různé účinky genetických mozaik. Gage a McConnell byli součástí podskupiny zaměřené na spojení s psychiatrickým onemocněním. Vymysleli plán, jak hledat různé mechanismy mozaiky pomocí stejné sady vzorků mozku.

Podstatné je, že dostali člověk Vzorky. Tkáňové biopsie posmrtných mozků od jedinců se schizofrenií byly odeslány z úložiště v Baltimoru, Lieber Institute for Brain Development, každému ze tří týmů.

Jedna část každého byla odeslána do Gageovy skupiny v Kalifornii, aby byla prozkoumána na LINE-1, které mohly způsobit mozaikové genetické variace. Další část byla odeslána McConnellovu týmu ve Virginii, aby hledal genetické mozaiky způsobené odstraněnou nebo duplikovanou DNA v genomu.

Zbývající třetina každého vzorku putovala do další laboratoře vedené Johnem Moranem na Michiganské univerzitě v Ann Arbor, která zkoumala, zda buňky, které získávají malé chyby sekvence DNA velmi brzy ve vývoji, mohou podnítit tvorbu velkých oblastí mozku stejná mutace.

Roste seznam mozkových stavů, kde se zdá, že mozaika skutečně hraje roli. „Dosáhl důkazu pro autismus, epilepsii a poruchy přerůstání mozku,“ říká McConnell.

Letos v lednu velká skupina vědců včetně členů konsorcia zveřejnila článek v Nature Neuroscience popisující, jak používali strojové učení. analyzovat data o posmrtných mozkových buňkách od několika lidí, kteří měli schizofrenii. Výzkumníci navrhli, že LINEs začnou aktivně mutovat mozkovou DNA v raném stádiu vývoje plodu – a našli případy, kdy LINE-1 bombardovaly alespoň dvě genové oblasti spojené s neuropsychiatrickými poruchami.

McConnell očekává, že se tyto druhy objevů urychlí. Říká, že velká zlepšení v genetickém sekvenování v posledních několika letech umožňují vědcům mnohem rychleji odhalit chyby DNA na úrovni jednotlivých buněk. Před pár lety trvalo čtyři členy laboratoře v McConnellově týmu dva týdny, aby individuálně sekvenovali 300 mozkových buněk. Dnes jeden člen týmu pracující sám může provést jednobuněčné sekvenování na 2000 buňkách za tři dny. Změnilo to hru, říká.

Nalezení mutací však není totéž jako stanovení příčinné souvislosti mezi nimi a nemocí. Sporadická a proměnlivá povaha mozaikových mutací dělá z jejich definitivního spojení s nemocí komplikovaný podnik. Kolegové ho varovali před pronásledováním větrných mlýnů při hledání, které sám McConnell popisuje jako trochu donkichotský.

Nezmapované vody

Snaha pochopit, jak mohou mozaikové genové mutace ovlivnit psychiatrické onemocnění, sahá mnohem dále než práce vědců, jako je McConnell. Poznamenává, že před desítkami let lidé nacházeli podivné chromozomové abnormality u psychiatrických onemocnění, převážně v odběrech krve.

Ale když se podíváte do této historie, uvidíte, že ti, kteří zkoumali roli mozaikových genových vzorců v duševním zdraví, měli falešné začátky. Jedna z prvních případových zpráv se objevila před desítkami let: na jaře roku 1959 začala 19letá žena v jižní Anglii strhávat papír ze stěn svého nově vyzdobeného pokoje. O měsíc později spálila všechno oblečení a utekla do přímořského města Brighton. Její nevyzpytatelné chování zesílilo natolik, že byla přijata do psychiatrické léčebny, kde jí lékaři diagnostikovali schizofrenii. Zkoumali její krev a hledali 46 navinutých svazků chromozomů uvnitř každé buňky. To, co našli, je překvapilo: asi pětině jejích buněk chyběl jeden ze dvou chromozomů X, které ženy běžně nosí. Lékaři ženy si nebyli jisti, zda její mozaikovitost nebyl faktorem její psychiatrické poruchy. Existuje několik dalších případů žen, kterým stejně jako britské pacientce chybělo druhé X v některých buňkách a které také měly schizofrenii. Odkaz ale zůstává čirou spekulací.

I když je ještě příliš brzy na to říci, jak mohou mozaikové genové mutace v mozku ovlivnit schizofrenii, existuje rostoucí seznam mozkových stavů, kde se zdá, že mozaika skutečně hraje roli. Například klíčová studie z roku 2012 harvardského genetika Christophera Walshe a jeho kolegů odhalila důkazy, že somatické mutace byly hlavní příčinou některých forem epilepsie.

Související příběh

Proč se cítíš osamělý? Neurověda začíná nacházet odpovědi. Hon na osamělost neurovědců by nám mohl pomoci lépe pochopit cenu sociální izolace.

Snad největší množství dat o genové mozaice – a proto nejslibnější oblast vývoje – se generuje ze studií autismu. Různé výzkumné skupiny, včetně Walsh's, našly důkazy, že až 5 % dětí s poruchou autistického spektra má potenciálně škodlivou mutaci mozaiky. Nedávno, v lednu, Walsh – spolu s členy konsorcia, jako je Rusty Gage – zveřejnil studii odhalení důkazů, že určité typy mutací se u lidí s autismem vyskytují častěji. Pro srovnání se podívali na posmrtné vzorky mozku od 59 lidí s autismem a 15 neurotypických jedinců a zjistili, že ti z první skupiny měli nečekaně vysoký počet somatických mutací v genetických oblastech zvaných enhancery. Tyto oblasti pomáhají stimulovat produkci genů, což vedlo vědce ke spekulacím, že mozaikové mutace tam mohou zvýšit riziko rozvoje autismu.

A i když se nepředpokládá, že se mozkové buňky aktivně dělí jako buňky v jiných tkáních, zdá se, že se s přibývajícím věkem vyvíjejí spíše do genetické mozaiky. V roce 2018 tým vedený Walshem analyzoval neurony odebrané z mozku 15 lidí ve věku od čtyř měsíců do 82 let a také devíti lidí s poruchami spojenými s předčasným stárnutím. Došli k závěru, že somatické změny v DNA, které vytvářejí mozaiku, se hromadí pomalu, ale neúprosně s věkem v normálním lidském mozku . Nová studie od Walshovy skupiny, která stále prochází vzájemným hodnocením, naznačuje, že zatímco lidské neurony začínají se stovkami takových mutací v každém genomu, mutace se nadále hromadí rychlostí až 25 za rok po celý život. Na tomto základě on a jeho spoluhráči vypočítali, že neurony u starších jedinců obsahují někde mezi 1500 a 2500 mutacemi na buňku. Myslíme si, že toto je klíčový nový způsob pohledu na stárnutí a běžné formy neurodegenerace, jako je Alzheimerova choroba, říká Walsh.

Britští vědci, kteří konkrétně hledají somatické varianty v genech spojených s neurodegenerativními poruchami, jako je Parkinsonova a Alzheimerova choroba, naznačují, že průměrný dospělý má 100 000 až 1 milion mozkové buňky s patologicky mutovanými geny . Dalším krokem je pochopit, zda a jak tyto mutace skutečně ovlivňují.

Identifikace spojení mezi mozaikami v mozku a různými zdravotními stavy však není jen o vysvětlení, jak tyto nemoci vznikají. Jednou z největších nadějí je, že by to mohlo pomoci uvést nové terapeutické přístupy. To se již děje u jednoho stavu, často neléčitelné formy epilepsie známé jako fokální kortikální dysplazie. Mozky jedinců s touto poruchou mají výmluvné skvrny dezorganizovaných tkáňových vrstev a pacienti někdy podstupují operaci k odstranění těchto mozkových oblastí v naději, že sníží jejich záchvaty.

Zjistila to studie publikovaná v roce 2018 výzkumníky z Korea Advanced Institute of Science and Technology mozaikové mutace v těchto abnormálních mozkových skvrnách, které nadměrně stimulovaly určité buněčné signální dráhy. Léky, které omezují tuto nadměrnou aktivitu, nazývané inhibitory mTOR, stojí za pokus , podle vědců.

Myslím, že jsou to z velké části neprobádané vody, říká Orrin Devinsky, který vede pilotní zkoušku za lék k léčbě fokální kortikální dysplazie v Langone Medical Center New York University. Je několik oblastí, kde jsme udělali skutečný pokrok… ale myslím, že s tím větším polem se země sotva dotkla.

Na pokraji

Dvacet let poté, co začal, je Mike McConnell stále stejně fascinován otázkou, jak mohou genetické mutace získané po početí nebo narození ovlivnit naše chování. Můj zájem se skutečně stal: Co dělá odlehlé hodnoty? říká kalifornským tónem, který si s sebou přinesl na východní pobřeží. Co dělá ze dvou jednovaječných dvojčat úplně odlišných lidí?

Za celou tu dobu se toho hodně změnilo. Oženil se a usadil se, získal ocenění od americké Národní akademie medicíny a už není strádajícím postgraduálním studentem. Nedávno znovu změnil pobřeží a přesunul svou laboratoř do Lieberova institutu, který je domovem více než 3 000 mozků – jednoho z celosvětových největší sbírky .

A myslí si, že jsme na pokraji průlomu.

I když souvislosti mezi mutacemi a duševními stavy nejsou přesvědčivé, vědci v oboru se nyní domnívají, že nashromáždili spoustu dat, aby ukázali, že geneticky odlišné buňky mohou jistě ovlivnit naše zdraví. Mozaická somatická mozaika dosáhla důkazů pro autismus, epilepsii a poruchy přerůstání mozku, říká McConnell.

Mezitím se stále hromadí důkazy, že mnoho lidí má výrazně mozaikové mozky. Jedna analýza z roku 2018 naznačuje, že přibližně 1 z každých 100 lidí má zhoubná mozaika genetická odlišnost která postihuje velké oblasti mozku. Jinými slovy, mají část mozkových buněk, které mají mutaci, která není vidět v okolních buňkách. I když je stále více důkazů o tom, že mozaikové genové vzory v mozku přispívají k epilepsii a autismu, zatím není dostatek údajů, které by je mohly zapojit do schizofrenie.

McConnell si zachoval víru, že studium lidských mozků odhalí, zda k této nemoci přispívá i nějaká příchuť mozaikových mutací – mutací, které by mohly ukazovat na nové způsoby léčby. Buď budu mít heureka moment, nebo se to prostě stane a není tam jasná souvislost s nemocí, říká. Je stále optimistou a doufá, že uspěje tam, kde ostatní selhali, a to tím, že protřídí záplavu genetických dat, která proudí o mozkových buňkách, které analyzuje. Pokud tam je signál, říká, myslím, že v nadcházejícím roce uvidím jeho náznak.

Roxanne Khamsiová je vědecký novinář se sídlem v Montrealu. Tento příběh byl podpořen grantem na podávání zpráv prostřednictvím organizace Genetics and Human Agency Journalism Fellowship .

skrýt