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Science期刊及其子刊10篇論文揭示神經(jīng)精神疾病的根源
迄今為止對(duì)人類(lèi)大腦開(kāi)展的最全面的基因組分析針對(duì)它在發(fā)育期間經(jīng)歷的變化、它在個(gè)體之間的差異以及自閉癥譜系障礙和精神分裂癥等神經(jīng)精神疾病的根源提出了新的見(jiàn)解。
2018年12月14日,有10項(xiàng)研究發(fā)表在Science期刊及其兩個(gè)子刊Science Advances和Science Translational Medicine期刊上。其中的4項(xiàng)重要研究是由來(lái)自耶魯大學(xué)各種學(xué)科的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的。耶魯大學(xué)正在發(fā)起一項(xiàng)雄心勃勃的將神經(jīng)科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)結(jié)合在一起的計(jì)劃。這4項(xiàng)研究解釋了15個(gè)研究機(jī)構(gòu)正在采用一系列新工具來(lái)尋找神經(jīng)精神疾?。╪europsychiatric disease)的分子基礎(chǔ)---這是美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院(NIH)在2015年成立的PsychENCODE聯(lián)盟的目標(biāo)。
根據(jù)耶魯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)教授Mark Gerstein領(lǐng)導(dǎo)的兩項(xiàng)研究,針對(duì)單個(gè)基因的活性和在發(fā)育過(guò)程中控制它們的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)允許數(shù)據(jù)科學(xué)家們能夠評(píng)估精神分裂癥和躁郁癥等疾病的風(fēng)險(xiǎn),而且評(píng)估的準(zhǔn)確性要比針對(duì)已知的遺傳風(fēng)險(xiǎn)變異(genetic risk variant)的傳統(tǒng)分析高出6倍。
研究人員還發(fā)現(xiàn),這些遺傳風(fēng)險(xiǎn)變異能夠在發(fā)育早期和一生中影響基因的功能,但是更可能以癥狀的形式自我表現(xiàn)出來(lái),這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诓煌陌l(fā)育階段形成不同的網(wǎng)絡(luò)或模塊。
耶魯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)教授Nenad Sestan及其團(tuán)隊(duì)在兩項(xiàng)研究中解釋了為什么患上自閉癥和精神分裂癥等許多神經(jīng)精神疾病的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。
健康的大腦發(fā)育和神經(jīng)功能依賴于對(duì)基因表達(dá)的精確調(diào)節(jié),其中基因表達(dá)在人類(lèi)大腦的不同區(qū)域和細(xì)胞類(lèi)型中差異極大。Sestan團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在發(fā)育過(guò)程中,人類(lèi)大腦的16個(gè)區(qū)域之間的細(xì)胞類(lèi)型差異可能是一個(gè)決定遺傳風(fēng)險(xiǎn)是否轉(zhuǎn)化為神經(jīng)精神疾病的關(guān)鍵因素。
他們還發(fā)現(xiàn),細(xì)胞類(lèi)型和基因表達(dá)活性的最大變化發(fā)生在產(chǎn)前發(fā)育的早期,這種變化在妊娠晚期和兒童早期會(huì)下降,隨后在青春期早期開(kāi)始再次增加。這種“杯狀(cup-like)”發(fā)育模式也在恒河猴(一種與人類(lèi)存在密切親緣關(guān)系的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物)中呈現(xiàn)。此外,Sestan團(tuán)隊(duì)還鑒定出人類(lèi)和恒河猴之間不同的大腦發(fā)育特征,包括人類(lèi)童年晚期的獨(dú)特基因表達(dá)特征。
研究人員發(fā)現(xiàn),在這些發(fā)育變化最大的階段,風(fēng)險(xiǎn)易感基因(risk susceptibility gene)往往會(huì)在某些大腦區(qū)域形成不同的網(wǎng)絡(luò)或模塊。與自閉癥相關(guān)的基因模塊傾向于在發(fā)育早期形成,而與精神分裂癥--- - 以及智商(IQ)和神經(jīng)質(zhì)(neuroticism)---相關(guān)的基因模塊往往在生命的后期形成。研究人員說(shuō),這可能解釋了為什么像自閉癥這樣的神經(jīng)精神疾病會(huì)在兒童早期出現(xiàn),而精神分裂癥在成年早期出現(xiàn)。這一分析還揭示了與疾病相關(guān)的基因如何在特定細(xì)胞類(lèi)型中表達(dá),這有助于確定與特定疾病相關(guān)的遺傳變異的范圍和影響。 研究人員報(bào)道導(dǎo)致神經(jīng)精神疾病的分子事件可能比癥狀早出現(xiàn)數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間。Sestan說(shuō),“疾病的風(fēng)險(xiǎn)因素總是存在,但是它們?cè)跁r(shí)間和空間上并不是同等表現(xiàn)出來(lái)?!?
作為其中的一項(xiàng)研究的論文共同通訊作者,耶魯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系教授和兒童研究中心教授Flora Vaccarino在一種生命系統(tǒng)中追蹤了大腦變化。研究人員誘導(dǎo)來(lái)自人體組織的人類(lèi)干細(xì)胞發(fā)育成大腦類(lèi)器官(brain organoids),即一系列神經(jīng)細(xì)胞類(lèi)型的集合體,用于在體外細(xì)胞培養(yǎng)中模擬人類(lèi)大腦的早期發(fā)育。這種大腦類(lèi)器官再現(xiàn)了妊娠頭三個(gè)月的人類(lèi)大腦發(fā)育,在此期間,神經(jīng)干細(xì)胞開(kāi)始分化為組成大腦的多種神經(jīng)元類(lèi)型。
這種生命系統(tǒng)允許研究人員隨著時(shí)間的推移鑒定并追蹤在早期皮層發(fā)育中有活性的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),對(duì)自閉癥等發(fā)育障礙而言,這一時(shí)期存在著具有相當(dāng)大的遺傳風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。他們發(fā)現(xiàn),已知的自閉癥風(fēng)險(xiǎn)基因以及控制它們活性的調(diào)節(jié)元件在這一階段在大腦類(lèi)器官中高度表達(dá)。他們報(bào)道之前已與自閉癥相關(guān)并且破壞調(diào)節(jié)元件的遺傳風(fēng)險(xiǎn)變異也在大腦類(lèi)器官中是有活性的。Vaccarino說(shuō),“這種模式能夠潛在地揭示出這些遺傳風(fēng)險(xiǎn)變異如何導(dǎo)致疾病?!?
PsychENCODE研究人員收集的這些大量信息已被組裝為可訪問(wèn)的數(shù)據(jù)“地圖集(atlas)”。這就允許數(shù)據(jù)科學(xué)家們采用深度學(xué)習(xí)分析或受到人類(lèi)認(rèn)知啟發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法找到抵抗人體中神經(jīng)精神疾病進(jìn)展的線索。比如,科學(xué)家們?nèi)缃衲軌驅(qū)?lái)自單細(xì)胞測(cè)序的信息與針對(duì)“大塊”組織樣本的更多傳統(tǒng)基因組學(xué)測(cè)量結(jié)果整合在一起,并捕捉不同發(fā)育階段的大量人群之間的差異。這種方法使得Gerstein實(shí)驗(yàn)室能夠證實(shí)不同個(gè)人之間的基因表達(dá)差異很大程度上歸因于基本的細(xì)胞類(lèi)型(比如興奮性神經(jīng)元)的比例變化。(生物谷 Bioon.com)
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