映射人类大脑的发展

人类的大脑是最复杂的器官在整个生活世界和研究人员一直迷恋的对象。然而,研究大脑,尤其是基因和分子开关控制和直接的发展,绝非易事。

到目前为止,科学家们已经开始使用动物模型,主要是老鼠,但是他们的发现不能直接转移到人类。老鼠的大脑沟槽表面结构不同,缺乏典型的人类大脑。细胞培养到目前为止已经有限的价值在这一领域,作为细胞倾向于分布在大面积生长在培养皿时;这并不符合自然大脑的三维结构。

映射的分子指纹

芭芭拉领导的一组研究人员Treutlein, ETH生物系统科学与工程系教授在巴塞尔,现在已经采取一种新的方法来研究人类大脑的发展:他们种植和利用organoids-millimeter-sized三维组织可以从所谓的成长多能干细胞。

提供这些干细胞收到正确的刺激,研究人员可以计划他们成为任何种类的细胞存在于身体,包括神经元。当干细胞聚合成一个小团的组织,然后暴露于适当的刺激,他们甚至可以自组织,形成一个三维的大脑瀑样与一个复杂的组织架构。

在一项新的研究发表在自然,Treutlein和她的同事们已经研究了成千上万的单个细胞在大脑瀑样在不同的时间点和详细。他们的目的是描述的细胞分子遗传学方面:换句话说,所有的全部基因转录(转录组)作为基因表达,但也可访问性作为衡量监管活动的基因组。他们设法表示这个数据作为一种地图中的每个细胞的分子指纹瀑样。

然而,这个过程会产生巨大的数据集:瀑样有20000个基因,每一个细胞,每一瀑样依次由成千上万的细胞。“这将导致一个巨大的矩阵,我们可以解决这个问题的唯一方法就是借助合适的项目和机器学习乔纳斯解释说:“斑点,博士生在Treutlein集团和研究的联合作者之一。

分析这些数据和预测基因的调控机制,研究人员开发了自己的计划。“我们可以使用它来生成整个交互网络为每个单独的基因和预测会发生什么在真正的细胞基因失败,”弗莱克说。

识别基因开关

本研究的目的是系统地识别这些基因开关的发展产生重大影响大脑不同区域的神经元瀑样。

CRISPR-Cas9系统的帮助下,ETH研究者选择性关闭一个基因在每个单元格,共约二十多个基因同时在整个瀑样。这使他们找出角色各自的基因在大脑瀑样的发展。

“这种技术可以用于屏幕的基因疾病。此外,我们可以看看这些基因如何影响不同的细胞内瀑样开发,”苏菲詹森解释道,也是一个博士生在Treutlein组和第二个研究的联合作者。

前脑的检查模式形成

为了测试他们的理论,研究人员选择了激活基因作为一个例子。这种基因蓝图同名的转录因子,一种蛋白质,这种蛋白质DNA码头上某些网站为了调节另一个基因。关闭激活时,细胞机械是禁止阅读这个基因转录成RNA分子。

在老鼠中,激活基因的突变可以导致中枢神经系统畸形。它的作用在人类神经发展以前未知的,但众所周知,基因突变导致疾病,如格雷格cephalopolysyndactyly和Pallister综合症。

沉默激活基因使研究人员验证他们的理论预测和确定直接在细胞培养中失去这种基因是如何影响大脑瀑样的进一步发展。“我们首次表明,激活基因在人类参与前脑的形成模式。这个曾被证明只在老鼠身上,”Treutlein说。

反映了发育生物学模型系统

“这项研究令人兴奋之处在于,它允许您使用全基因组的数据很多单个细胞假设个体基因扮演什么样的角色,”她解释说。“什么是同样令人兴奋的在我看来是这些模型系统在培养皿中确实反映了我们所知的发育生物学从老鼠。”

Treutlein还发现它迷人的培养基如何产生自发的组织与结构可比的人类的大脑——只在形态学水平也(最新研究)的研究人员发现在基因调控水平和模式的形成。这样的“瀑样真的是一个非常好的方法来研究人类发育生物学,”她指出。

多才多艺的大脑瀑样

研究瀑样由人类细胞材料的优点是发现转移到人类。他们不仅可以用来研究基本发育生物学,但同样的角色基因在疾病或大脑发育障碍。例如,Treutlein和她的同事正在与这种类型的瀑样调查的基因导致自闭症和异位;在后者,神经元出现在他们的大脑皮层的正常解剖位置。

瀑样也可以用于测试药物,并可能对培养移植器官或器官部分。Treutlein证实这些制药行业非常感兴趣细胞培养。

然而,日益增长的瀑样需要时间和努力。此外,每个团细胞单独而不是标准化的方式发展。这就是为什么Treutlein和她的团队正在努力改善瀑样和自动化生产过程。