Warianty genetyczne i kora mózgowa. Jak niekodujące elementy DNA wpływają na zaburzenia psychiczne.

Kora mózgowa jest stosunkowo cienką, pofałdowaną, zewnętrzną warstwą istoty szarej mózgu. To tam odbywa się przetwarzanie informacji sensorycznych pochodzących ze środowiska zewnętrznego i ich integracja z informacjami z wnętrza organizmu, tworzenie śladów pamięciowych i podejmowanie wszelkich decyzji związanych z wyborem adekwatnego zachowywania się. Biorąc pod uwagę dojrzewanie tej struktury, najdłużej rozwija się kora przedczołowa - jeszcze w okresie nastoletnim nie jest do końca wykształcona. Być może właśnie dlatego tak wiele aspektów życia/działań związanych z rozsądnym rozumowaniem i podejmowaniem "mądrych" decyzji warunkowana jest wiekiem. Przykładem może być czas, w którym otrzymujemy prawa wyborcze, możemy zasiadać w senacie, czy być pełnoprawnym sędzią. Osoby z uszkodzeniami kory przedczołowej postępują w sposób społecznie nieakceptowany, ponieważ trudności sprawia im modyfikacja swojego zachowania w zależności od kontekstu.


My, jako ludzie, możemy cieszyć się największym stopniem jej pofałdowania, co odpowiada po prostu rozwojowi ewolucyjnemu naszego mózgu.

To też ta struktura, która ulega atrofii i obkurczaniu w chorobie Alzheimera. Mimo, że wiemy już całkiem sporo na temat jej anatomii, funkcji i powiązań z innymi częściami strukturalnymi mózgu, to ogromną zagadką są elementy genetyczne, które wpływają na różnice w jej funkcjonowaniu. W tym wpisie chciałabym jednak radośnie zakomunikować, że sytuacja uległa cudownej zmianie.


Wiemy więcej!


Po raz kolejny widać, że zespołowa praca naukowców przynosi rewelacyjne efekty. W ramach światowej współpracy badawczej opracowano pierwszą mapę genetyczną kory mózgowej. Ponad 360 naukowców z 184 różnych instytucji przyczyniło się do „globalnego" wysiłku zdefiniowania ponad 200 regionów genomu i ponad 300 specyficznych odmian genetycznych, które wpływają na strukturę kory mózgowej i odgrywają niezwykle istotną rolę w zaburzeniach psychicznych i neurologicznych. Wskazuje się tutaj na powiązania zróżnicowania genetycznego z występowaniem schizofrenii, zaburzeń afektywnych dwubiegunowych, depresji, zespołem nadpobudliwości z deficytem uwagi (ADHD) i autyzmem.

Badanie opublikowane kilka dni temu (20 marca 2020 roku) na łamach Science prowadzone było przez badaczy z konsorcjum ENIGMA - międzynarodowej sieci badawczej, która zgromadziła setki naukowców próbujących zrozumieć strukturę, funkcji i choroby mózgu w oparciu o jego obrazowanie i dane genetyczne.


Badanie


Przedmiotem analizy był materiał genetyczny (DNA) oraz skany mózgu (uzyskane metodą fMRI) ponad 50 000 osób. Dzięki tej naprawdę imponującej grupie badanych udało się nieco rozjaśnić kwestie związku genetyki z różnicami w budowie mózgu i zidentyfikować specyficzne warianty genetyczne, czyli te elementy naszej biologii, które po prostu czynią nas wyjątkowymi. Ogólnie rzecz biorąc, niektóre warianty przyczyniają się do takich różnic jak kolor włosów lub grupa krwi. Inne są zaangażowane w pojawianie się chorób. Jednak co ważne - większość z nich (szacuje się, że są ich miliony) nie ma prawdopodobnie żadnego znaczenia w kontekście kodowania białek (pełni jednak bardzo inne ważne funkcje, o czym w dalszej części tekstu).

Wśród zlokalizowanych różnić genetycznych znalazły się takie, które związane są z fałdowaniem kory mózgowej - określanym jako pole jej powierzchni, oraz warianty genetyczne odpowiadające za różnice w jej grubości. Dzięki temu wiemy już na przykład, że geny, które definiują jej powierzchnię, związane są z bardzo wczesnym rozwojem kory jeszcze w okresie płodowym, natomiast te związane z grubością tej struktury są aktywne w korze osób dorosłych. Co więcej - osoby z genetycznym ryzykiem depresji lub występowaniem bezsenności są genetycznie „skłonne” do posiadania mniejszej powierzchni kory mózgowej, podczas gdy u osób z genetycznym ryzykiem wystąpienia choroby Parkinsona sytuacja jest zupełnie odwrotna.

Dlaczego wspominane wyniki mają takie znaczenie?


Ponieważ zostały przeprowadzone z udziałem ludzi! Większość naszej wcześniejszej wiedzy dotyczącej działania genów wpływających na budowę, a co za tym idzie funkcjonowanie mózgu, pochodzi z doświadczeń podejmowanych na układach modelowych tworzonych w oparciu o zwierzęta laboratoryjne (np. myszy). Są to oczywiście nieocenione eksperymenty. Dzięki nim możemy na przykład lokalizować określone geny, nokautować je (wyciszać lub zmniejszać ich ekspresję) lub nadmiernie aktywować i obserwować jak wpływają one na strukturę lub funkcję mózgu. Ale jest z tym kilka problemów. Jednym i zdecydowanie najważniejszym z nich jest fakt, że ... mysz nie jest człowiekiem a nasz mózg posiada wiele takich cech, które mogą być zbadane tylko w ludzkim mózgu.



Niekodujące a tak ważne


Być może trudno w to uwierzyć, ale szacuje się, że tylko około 3% ludzkiego genomu koduje jakieś białka. Zdecydowana większość naszego materiału genetycznego nazywana jest genomem niekodującym i co istotne - nie jest „dzielona” między myszy i ludzi.


Ten niekodujący genom pełni jednak niezwykle ważną funkcję - składa się z drobnych przełączników molekularnych, które mogą modulować ekspresję innych genów.

Co ważne, nie zmieniają one bezpośrednio funkcji białka, ale mogą istotnie wpływać na ich ilość i po prostu modulować ich prawidłowe wytwarzanie. Okazuje się, że większość wariantów genetycznych związanych z zaburzeniami psychicznymi znajduje się właśnie w niekodującym regionie naszego genomu. W przytaczanym badaniu to właśnie możliwość odróżniania „treściwych”, kodujących wariantów DNA od elementów nieniosących informacji była kluczowa.

Przeprowadzone badanie wnosi niezwykle dużo zarówno dla rozwoju samej neuronauki jak i rozumienia pojawiania się predyspozycji pewnych chorób psychicznych i neurodegeneracyjnych. Pomaga tłumaczyć, w jaki sposób niektóre geny wpływają na zmiany anatomiczne i fizyczną strukturę mózgu poszczególnych osób i co najważniejsze - jakie mogą być tego konsekwencje zdrowotne.


Ogromna skala projektu pozwoliła także na odkrycie określonych genów, które odpowiadają za rozwój mózgu i starzenie się ludzi na całym świecie. To prawdziwie rewelacyjne doniesienia.


Poniżej grafika obrazująca przeprowadzone badanie:


A. Pomiar powierzchni i grubości kory uzyskany za pomocą techniki fMRI.

B. Lokalizacje genomowe popularnych wariantów genetycznych, które wpływają na całościową i regionalną strukturę korową.

C. Dane wskazujące, że rozwój powierzchni korowej jest indukowany przez namnażanie nerwowych komórek progenitorowych (komórek macierzystych neuronów).

D. Korelacje genetyczne obszarów kory mózgowej z zaburzeniami psychicznymi i poznawczymi. Słupki błędów wskazują SE.


Źródła:


https://science.sciencemag.org/content/367/6484/eaay6690

zdjęcie:Alina Grubnyak