科学者たちは「脳科学の新時代」をもたらす人間の脳細胞の地図を描いている

人間の脳内のすべての細胞には同じ配列の DNA が含まれていますが、異なる細胞タイプでは、タンパク質の設計図として機能する RNA 鎖に異なる遺伝子がコピーされます。その結果、どのタンパク質がどの細胞にどのレベルで存在するかが変化し、脳細胞の種類と脳の複雑さが非常に多様になります。どの細胞が機能するためにどの DNA 配列に依存しているかを理解することは、脳がどのように機能するかを理解するだけでなく、DNA 変異がどのように脳疾患につながるのか、またその治療方法を理解するためにも重要です。

脳内の細胞の多様性の抽象的な表現。個々の核は、個々の脳細胞の種類を区別するために、エピゲノム解析で使用される t-SNE プロットの明るい色合いで色付けされます。背景色のレイヤーは、各脳領域の細胞機能に影響を与える局所的な環境要因を表します。出典: マイケル・ナン

ソーク計算神経生物学研究所の研究教授であるマルガリータ・ベーレンス氏は、この新しい研究の共同主任研究者である。 2020年、エック氏とベーレンス氏はソークチームを率いて、遺伝子のオンオフを示すDNA上のメチル化学マークに基づいてマウスの脳内の161種類の細胞を分析した。この DNA 調節はメチル化と呼ばれ、細胞のアイデンティティの層です。

新しい論文では、研究者らは同じツールを使用して、3人の健康な成人男性臓器提供者の脳の46領域にある50万個以上の脳細胞のDNAメチル化パターンを決定した。マウスの脳はどの動物でも基本的に同じであり、約 8,000 万個のニューロンを含んでいますが、人間の脳はさらに異なり、約 800 億個のニューロンを含んでいます。

「マウスから人間への移行は大きな飛躍であり、克服しなければならない技術的な課題がいくつかありました」とベーレンス氏は語った。 「しかし、マウスで理解した内容を人間の脳でも応用することができ、非常に質の高い結果を得ることができました。」

同時に、研究者らは、どの DNA 配列が活発に使用されているかについてより多くの情報を得るために、各細胞内の DNA 分子の三次元構造を分析する 2 番目の技術も使用しました。露出した DNA 領域は、しっかりと折りたたまれた DNA よりも細胞にアクセスしやすくなります。

「まったく新しいレベルの脳細胞型の粒度でこれらの動的なゲノム構造を調べ、どの細胞型でどの遺伝子が活性化するかをそれらがどのように制御するのかを調べたのは今回が初めてです」と、新しい論文の共同筆頭著者であり、エッカー研究室の博士研究員であるJingtian Zhou氏は述べた。

サイエンス誌のこの特集号にも研究が掲載されている他の研究グループは、同じ3人の人間の脳から採取した細胞を使用して細胞プロファイリング技術をテストした。その中には、エックとベーレンスの研究の共著者でもあるカリフォルニア大学サンディエゴ校のビング・レン率いるグループも含まれる。レン氏の研究グループは、特定の種類の脳細胞と、統合失調症、双極性障害、アルツハイマー病、大うつ病性障害などの精神神経疾患との関連性を明らかにした。さらに、チームはこれらの病気のリスクを予測できる人工知能ディープラーニングモデルを開発しました。