Zusammenfassung: Forscher erstellten einen Atlas, der die frühe genetische Entwicklung des Gehirns von der 6. bis 13. Woche des Embryonalwachstums detailliert beschreibt. Diese neuartige Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über die Genregulation in verschiedenen Gehirnregionen und geht über frühere Studien hinaus, die sich hauptsächlich auf den Kortex konzentrierten.
Der Atlas soll zum Verständnis der Entwicklungsfehler beitragen, die zu Hirntumoren bei Kindern führen, und könnte bei der Entwicklung gezielter Behandlungen helfen. Darüber hinaus ist die Studie Teil des umfassenderen Projekts „Human Developmental Cell Atlas“, dessen Ziel es ist, die genetische Entwicklung verschiedener Organe abzubilden.
Wichtige Fakten:
- Umfangreiches Brain Mapping: Der Atlas bietet eine detaillierte Karte der Genaktivierung und Zellentwicklung im Gehirn während der frühen Embryonalstadien.
- Mögliche klinische Anwendungen: Die Erkenntnisse aus diesem Atlas werden genutzt, um die Entstehung von Hirntumoren bei Kindern zu untersuchen und zu verstehen, was möglicherweise zu neuen Therapiestrategien führt.
- Gemeinsame Forschungsanstrengungen: Diese Forschung ist Teil einer größeren, von prominenten Stiftungen finanzierten Anstrengung, umfassende Zellatlanten für mehrere Organe zu erstellen und so unser Verständnis der menschlichen Entwicklung und Krankheit zu verbessern.
Quelle: Karolinska-Institut
In einem Artikel veröffentlicht in NaturForscher des Karolinska Institutet präsentieren einen Atlas der frühen Entwicklung des Gehirns.
Mithilfe des Atlas lassen sich unter anderem herausfinden, was bei der Entstehung von Hirntumoren bei Kindern schief gelaufen ist, und auch neue Behandlungsmethoden finden.
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Karolinska Institutet hat die frühe genetische Entwicklung des Gehirns kartiert und kann nun einen Atlas der Embryonalentwicklung zwischen der 6. und 13. Woche präsentieren.
„Dies ist die erste umfassende Studie zur Gehirnentwicklung mit Schwerpunkt auf der Genregulation. Frühere Studien konzentrierten sich fast immer auf die Großhirnrinde. Bei unserer Studie handelt es sich um eine systematische Kartierung des gesamten Gehirns, sodass alle Regionen miteinander verglichen werden können“, sagt Sten Linnarsson, Professor für Molekulare Systembiologie an der Abteilung für Medizinische Biochemie und Biophysik des Karolinska Institutet und Forschungsleiter der Studie.
Wenn sich das Gehirn im frühen Embryo zu entwickeln beginnt, beginnt es mit so etwas wie einer Röhre, wobei sich die Wände der Röhre zum Gehirn entwickeln und das mit Flüssigkeit gefüllte Zentrum der Röhre zu den Ventrikeln, dem Hohlraum des Gehirns, wird.
Zwischen der 6. und 13. Schwangerschaftswoche kommt es zu einer raschen Spezialisierung der Zellen in den Wänden der Eileiter. Dies geschieht durch eine sehr komplexe Kaskadenreaktion, bei der Substanzen ausgeschüttet werden, die die ersten Zellen dazu veranlassen, sich auf eine bestimmte Weise zu entwickeln. Diese Zellen sezernieren dann zusätzliche Signale, die die nächste Stufe der Zellentwicklung usw. steuern.
Die Signale aktivieren Gene, die Proteine produzieren, die die verschiedenen Zelltypen spezialisieren und auch als neue Signale fungieren.
„Es ist dieser Prozess, wie, in welcher Reihenfolge und in welchen Zelltypen Gene während dieses Prozesses der Gehirnbildung aktiviert werden, den wir untersucht haben. Wir wollten den Prozess von der DNA über die RNA bis hin zum Protein bei jedem Schritt verfolgen“, sagt Sten Linnarsson.
Die Forschung wurde mit einer Methode durchgeführt, die sowohl aktive Regionen auf der DNA als auch gebildete RNA-Stränge in einzelnen Zellen messen kann. Die Forscher haben das Puzzle dann zusammengesetzt und können nun eine Karte der Funktionsweise präsentieren.
Die Forschung ist Teil des größeren schwedischen Projekts „Human Developmental Cell Atlas“, in dem mehrere Forschungsgruppen die genetische Entwicklung von Gehirn, Herz, Lunge usw. untersucht haben. Die Forschung im Rahmen des Projekts schreitet nun voran und die Forscher nutzen die Karten, um Antworten darauf zu finden, was bei Krankheiten schief gelaufen ist.
„Wir untersuchen derzeit die Entstehung von Hirntumoren bei Kindern. Glücklicherweise handelt es sich um eine seltene Krankheit, aber von den verschiedenen Krankheiten, die bei Kindern zum Tod führen, ist sie eine der häufigsten.
„Wir untersuchen die Tumoren, die während der embryonalen Gehirnentwicklung entstehen, und versuchen mithilfe des Atlas zu verstehen, welche Mechanismen bei der normalen Entwicklung fehlgeschlagen sind und wie dies die Tumorbildung und das Tumorwachstum antreibt“, sagt Sten Linnarsson.
Finanzierung: Die Forschung wurde von der Erling-Persson Family Foundation, der Knut and Alice Wallenberg Foundation, der Swedish Foundation for Strategic Research und EC Horizon 2020 finanziert. Sten Linnarsson ist wissenschaftlicher Berater von Moleculent, Combigene und dem Kompetenzzentrum für Immuntherapie der Universität Oslo. Er und der Erstautor Camiel Mannens sind außerdem Anteilseigner der EEL Transcriptomics AB, die die geistigen Eigentumsrechte an EEL-FISH besitzt.
Über diese Neuigkeiten aus der Genetik- und Neuroentwicklungsforschung
Autor: Sten Linnarsson
Quelle: Karolinska-Institut
Kontakt: Sten Linnarsson – Karolinska-Institut
Bild: Das Bild stammt von Neuroscience News
Ursprüngliche Forschung: Offener Zugang.
„Zugänglichkeit von Chromatin während der neurologischen Entwicklung des menschlichen ersten Trimesters“ von Sten Linnarsson et al. Natur
Abstrakt
Zugänglichkeit von Chromatin während der neurologischen Entwicklung des Menschen im ersten Trimester
Das menschliche Gehirn entwickelt sich durch eine streng organisierte Kaskade von Musterereignissen, die durch die Expression von Transkriptionsfaktoren und Veränderungen in der Zugänglichkeit von Chromatin induziert werden.
Obwohl die Genexpression im gesamten sich entwickelnden Gehirn mit Einzelzellauflösung beschrieben wurde, konzentrierten sich ähnliche Atlanten zur Zugänglichkeit von Chromatin hauptsächlich auf das Vorderhirn.
Hier beschreiben wir die Zugänglichkeit von Chromatin und die gepaarte Genexpression im gesamten sich entwickelnden menschlichen Gehirn während des ersten Trimesters (6–13 Wochen nach der Empfängnis).
Wir haben 135 Cluster definiert und multiomische Messungen verwendet, um Kandidaten zu verknüpfen cis-regulatorische Elemente der Genexpression. Die Anzahl zugänglicher Regionen nahm sowohl mit dem Alter als auch entlang der neuronalen Differenzierung zu.
Mithilfe eines Faltungs-Neuronalen Netzwerks identifizierten wir mutmaßliche funktionelle Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen in Enhancern, die neuronale Subtypen charakterisieren.
Wir haben dieses Modell angewendet auf cis-Regulierungselemente verknüpft mit ESRRB um seinen Aktivierungsmechanismus in der Purkinje-Zelllinie aufzuklären.
Schließlich durch die Verknüpfung krankheitsassoziierter Einzelnukleotidpolymorphismen mit cis-regulatorische Elemente validierten wir mutmaßliche pathogene Mechanismen bei mehreren Krankheiten und identifizierten aus dem Mittelhirn stammende GABAerge Neuronen als am anfälligsten für Mutationen im Zusammenhang mit schweren depressiven Störungen.
Unsere Ergebnisse bieten einen detaillierteren Einblick in die wichtigsten Genregulationsmechanismen, die der Entstehung von Gehirnzelltypen im ersten Trimester zugrunde liegen, und bieten eine umfassende Referenz für zukünftige Studien zur menschlichen Neuroentwicklung.