Epigenomische Karten zeigen, wie sich Gehirnströme von der Geburt bis zum Erwachsenenalter verändern

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler durch die Kartierung des Epigenoms des menschlichen Gehirns einige großräumige Veränderungen aufgedeckt, die von der Geburt bis zum Erwachsenenalter in Schaltkreisen des menschlichen Gehirns stattfinden.
Das internationale Team, darunter Mitglieder der University of Western Australia (UWA), des Salk-Instituts für biologische Studien in Kalifornien (USA) und des Institut d'Investigació Biomedica de Bellvitge (IDIBELL) in Spanien, berichtet in einem online veröffentlichten Artikel über ihre Ergebnisse im Wissenschaft am 4. Juli.
Ryan Lister, ein UWA-Professor und Genombiologe, sagt in einer Erklärung:
"Diese neuen Erkenntnisse werden die Grundlage für die Untersuchung der Rolle des Epigenoms beim Lernen, bei der Gedächtnisbildung, der Gehirnstruktur und bei psychischen Erkrankungen liefern."
Während das Genom als Gebrauchsanweisung gedacht ist, die Blaupausen (die Gene) für die biologischen Komponenten enthält, die unseren Körper bilden, kann das neu entdeckte Epigenom als eine weitere Schicht von Anweisungen zum Lesen des Handbuchs angesehen werden.
Das Epigenom ist eine Aufzeichnung der chemischen Veränderungen, die bei der Entwicklung des Organismus in der DNA auftreten. Analog zur Bedienungsanleitung wird es wie eine Reihe von Notizen und Lesezeichen angezeigt, die sagen, Seite 6 ignorieren oder Seite 4 zuerst tun.
Das Verständnis des Epigenoms ist der Schlüssel zum Verständnis, wie Gene unter dem Einfluss von Faktoren wie Lebensstil, Ernährung und Umwelt Gesundheit und Krankheit beeinflussen.

Jetzt bietet diese neue Studie eine beispiellose Sicht auf das Epigenom während der Entwicklung des Gehirns.
Mit hochauflösendem Mapping hat das Team einzigartige Muster im Epigenom aufgedeckt, die entstehen, wenn sich Gehirn-Schaltkreise in der Kindheit entwickeln.
Der leitende Autor Joseph R. Ecker, Professor und Direktor des Genomic Analysis Laboratory am kalifornischen Salk Institute for Biological Studies in Kalifornien, sagt, ihre Studie enthüllt die großflächige Rekonfiguration, die das Epigenom durchläuft, wenn Gehirnschaltungen reifen.
Während einer gesunden Gehirnentwicklung brauchen einige Prozesse Zeit, um komplexe Strukturen und Verbindungen zwischen Schaltkreisen des Gehirns herzustellen.
Zum Beispiel ist der frontale Kortex, der an der Vorderseite des Gehirns sitzt, entscheidend für das Denken, das Lösen von Problemen, das Treffen von Entscheidungen und das Handeln mit ihnen.
Die zwei Hauptarten der Zelle des frontalen Kortex, die Neuronen und die Glia, machen ganz unterschiedliche Dinge, aber sie haben das gleiche Genommuster des DNA-Codes, das aus den Buchstaben A, C, G und T besteht. Der Unterschied in der Art Sie verhalten sich zum Epigenom.
Eine Möglichkeit, wie das Epigenom die Interpretation des Genoms steuert, ist die Kennzeichnung der C-Buchstaben im DNA-Code. Dies geschieht mithilfe eines chemischen Prozesses namens DNA-Methylierung.
Ein Tag bewirkt, dass ein Teil der DNA anders gelesen wird, als wenn er kein Tag hat: zum Beispiel könnte er ein nahegelegenes Gen zum Schweigen bringen, sodass es nicht für ein bestimmtes Protein kodiert. Auf diese Weise beeinflusst das Epigenom die Entwicklung und Fähigkeit unseres Körpers, Zelltypen zu bilden und zu differenzieren.
Für die Studie verwendete das Team fortschrittliche DNA-Sequenzierung, um genau herauszufinden, wo sich alle markierten Cs in den Gehirnen von Mäusen und Menschen vom Babystadium bis zu erwachsenen Erwachsenen befanden.
Der Co-Erstautor Eran Mukamel von Salks Computational Neurobiology Laboratory sagt:
"Überraschenderweise entdeckten wir, dass eine einzigartige Art von DNA-Methylierung genau dann entsteht, wenn die Neuronen im sich entwickelnden Gehirn eines Kindes neue Verbindungen miteinander eingehen, im Wesentlichen wenn sich eine kritische Gehirnschaltung bildet."
Zunächst dachten die Wissenschaftler, dass das C-Tagging nur auftritt, wenn auf ein C ein G folgt (bekannt als "CG-Methylierung"). Später entdeckten sie, dass im menschlichen embryonalen Stammzellengenom eine Nicht-CG-Methylierung sehr häufig vorkommt.
Das Team hatte auch beide Arten der DNA-Methylierung in Pflanzen gesehen, und aufgrund dieser Erfahrung haben sie diese neueste Studie aus einem etwas anderen Blickwinkel betrachtet:
"Wir suchten aktiv nach diesen Nicht-CG-Methylierungsstellen, von denen man nicht dachte, dass sie existieren. Unsere neue Studie ergänzt dieses Bild, indem sie zeigt, dass es auch im menschlichen Gehirn reichlich Nicht-CG-Methylierung gibt", sagt Lister.
Sie waren überrascht, dass diese einzigartige Art der Genommarkierung fast nur in Neuronen vorkommt, und die Muster sind von Person zu Person ziemlich ähnlich.
"Während dieses Zeitraums [Fetus bis zum frühen Erwachsenenalter] akkumuliert hochkonservierte Nicht-CG-Methylierung (mCH) in Neuronen, nicht aber in Glia, um die dominante Form der Methylierung im menschlichen neuronalen Genom zu werden", schreiben die Autoren.
So haben sie entdeckt, dass das Epigenom das Genom in Gehirnzellen auf eine einzigartige Weise markiert, die sich von den Zellen im Rest des Körpers unterscheidet.
Der Befund ist wichtig, weil frühere Forschungsergebnisse zeigen, dass diese Art von Markierung für das Lernen wichtig ist, wie Gedächtnisformen und Plastizität des Gehirns oder die Flexibilität unserer Schaltkreise im Gehirn.
Ecker fügt hinzu:
"Diese Ergebnisse erweiterten unser Wissen über die einzigartige Rolle der DNA-Methylierung in der Entwicklung und Funktion des Gehirns. Sie bieten einen neuen Rahmen für die Untersuchung der Rolle des Epigenoms bei gesunden Funktionen und pathologischen Störungen neuronaler Schaltkreise."
Ecker, Lister und Kollegen waren die ersten, die das gesamte menschliche Epigenom kartierten.
Geschrieben von Catharine Paddock

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