Resumen estructurado

Introducción

Los trastornos neuropsiquiátricos y las enfermedades mentales son la principal causa de carga de morbilidad en los Estados Unidos. Decenas de miles de variantes de secuencia en el genoma humano se han relacionado con la etiología de estas afecciones. Sin embargo, dilucidar el papel de las variantes de riesgo identificadas sigue siendo un desafío porque la mayoría de ellas se encuentran fuera de las regiones codificantes de proteínas y actualmente carecen de anotación funcional. Es probable que estas variantes de riesgo de enfermedad ejerzan su influencia perturbando los elementos reguladores de la transcripción, modulando así la expresión genética en tipos de células pertinentes a los trastornos neuropsiquiátricos. Los avances recientes en tecnologías unicelulares han revelado un alto grado de heterogeneidad celular en todo el cerebro humano. Sin embargo, las secuencias reguladoras transcripcionales que gobiernan la identidad y función de cada tipo de célula cerebral individual aún no se han delineado, lo que dificulta nuestra capacidad para interpretar las variantes de riesgo de enfermedad no codificantes.

Razón fundamental

Convencionalmente, las secuencias reguladoras de la transcripción pueden determinarse mediante evidencia de accesibilidad a la cromatina que generalmente acompaña a la unión del factor de transcripción y a la remodelación de la cromatina. Sin embargo, los catálogos anteriores de elementos reguladores transcripcionales carecen de información sobre las actividades específicas del tipo celular de cada elemento debido al uso de muestras de tejido a granel. Los avances tecnológicos recientes nos han permitido analizar la accesibilidad de la cromatina a nivel unicelular, lo que permite la creación de mapas específicos de tipos celulares de elementos reguladores transcripcionales para órganos complejos como el cerebro humano.

Resultados

En este estudio, presentamos un análisis exhaustivo de la accesibilidad a la cromatina en el cerebro humano a nivel unicelular, que abarca una colección de 1,1 millones de células de 42 regiones cerebrales distintas en tres sujetos adultos neurotípicos. Utilizamos este atlas de cromatina para definir 107 tipos distintos de células cerebrales y descubrimos el estado de accesibilidad a la cromatina en 544.735 supuestos elementos reguladores transcripcionales en estos tipos de células.

Un número sustancial de estos elementos reguladores también exhibieron conservación de secuencia y accesibilidad a la cromatina en células cerebrales de ratón, lo que subraya su importancia funcional. A través del análisis integrativo, hemos vinculado muchos supuestos elementos reguladores transcripcionales con posibles genes diana. Además, aprovechamos este atlas para predecir tipos de células relevantes para 19 rasgos y trastornos neuropsiquiátricos. Finalmente, desarrollamos modelos de aprendizaje automático para predecir la función reguladora de las variantes de riesgo de enfermedad. Hemos puesto este atlas a disposición del público de forma gratuita a través del portal web interactivo CATLAS (www.catlas.org).

Figura: Análisis unicelular de la accesibilidad a la cromatina del cerebro humano. Los elementos reguladores cis candidatos (cCRE) específicos de distintos tipos de células cerebrales humanas se identificaron mediante un ensayo de núcleo único para cromatina accesible a transposasa mediante secuenciación (snATAC-seq) y se vincularon a genes diana putativos mediante análisis integrativo. Se aprovechó el uso de cCRE para predecir tipos de células cerebrales pertinentes a rasgos y trastornos neuropsiquiátricos y para entrenar modelos de aprendizaje automático para interpretar la función de variantes de riesgo no codificantes. UMAP, Aproximación y Proyección de Múltiples Uniformes; DL, aprendizaje profundo; LD, desequilibrio de ligamiento; GWAS, estudio de asociación de todo el genoma.

Comentarios

Los investigadores mapean los interruptores genéticos y los tipos de células cerebrales asociados con la esquizofrenia, el trastorno bipolar, la enfermedad de Alzheimer y la depresión mayor.

En un gran esfuerzo multiinstitucional liderado por la Universidad de California en San Diego, los investigadores analizaron más de un millón de células cerebrales humanas para producir mapas detallados de interruptores genéticos en tipos de células cerebrales y revelaron los vínculos entre tipos específicos de células y varios factores comunes a los trastornos neuropsiquiátricos. El equipo también desarrolló herramientas de inteligencia artificial para predecir la influencia de variantes genéticas individuales de alto riesgo entre estas células y cómo pueden contribuir a la enfermedad.

El nuevo trabajo, publicado en un número especial de Science, es parte de la Iniciativa de Investigación del Cerebro a través del Avance de Neurotecnologías Innovadoras del Instituto Nacional de Salud, o Iniciativa BRAIN, lanzada en 2014. La iniciativa tiene como objetivo revolucionar la comprensión del cerebro de mamíferos, en parte, mediante el desarrollo de nuevas neurotecnologías para caracterizar tipos de células neuronales.

Cada célula del cerebro humano contiene la misma secuencia de ADN, pero los diferentes tipos de células utilizan genes diferentes y en cantidades diferentes. Esta variación produce muchos tipos diferentes de células cerebrales y contribuye a la complejidad de los circuitos neuronales. Aprender en qué se diferencian estos tipos de células a nivel molecular es fundamental para comprender cómo funciona el cerebro y desarrollar nuevas formas de tratar enfermedades neuropsiquiátricas.

"El cerebro humano no es homogéneo", dijo el autor principal Bing Ren, PhD, profesor de la Facultad de Medicina de UC San Diego. "Está formado por una red enormemente compleja de neuronas y células no neuronales, cada una de las cuales cumple funciones diferentes. Mapear los diferentes tipos de células en el cerebro y comprender cómo trabajan juntas nos ayudará en última instancia a descubrir nuevas terapias que puedan apuntar a individuos tipos de células relevantes para enfermedades específicas".

En el nuevo estudio, los investigadores analizaron más de 1,1 millones de células cerebrales en 42 regiones cerebrales distintas de tres cerebros humanos. Identificaron 107 subtipos diferentes de células cerebrales y pudieron correlacionar aspectos de su biología molecular con una amplia gama de enfermedades neuropsiquiátricas, incluidas la esquizofrenia, el trastorno bipolar, la enfermedad de Alzheimer y la depresión mayor. Luego, los investigadores utilizan estos datos para crear modelos de aprendizaje automático para predecir cómo ciertas variaciones de secuencia en el ADN pueden influir en la regulación genética y contribuir a la enfermedad.

Si bien estos nuevos resultados ofrecen información importante sobre el cerebro humano y su patología, los científicos aún están lejos de terminar con el mapeo del cerebro. En 2022, UC San Diego se unió al Instituto Salk y otros para lanzar un Centro de Atlas Multiómico de Células Cerebrales Humanas, cuyo objetivo es estudiar células de más de una docena de cerebros humanos y plantear preguntas sobre cómo cambia el cerebro durante el desarrollo, a lo largo de la vida de las personas y con enfermedad.

"Ampliar nuestro trabajo a un nivel aún mayor de detalle en un mayor número de cerebros nos acercará un paso más a la comprensión de la biología de los trastornos neuropsiquiátricos y cómo se pueden rehabilitar", dijo Ren.

Los autores principales del estudio incluyen: Yang Eric Li, Sebastian Preissl, Michael Miller, Zihan Wang, Henry Jiao, Chenxu Zhu, Zhaoning Wang, Yang Xie, Olivier Poirion, Colin Kern, Lin Lin, Qian Yang, Quan Zhu, Nathan Zemke. , Sarah Espinoza, Jingbo Shang y Allen Wang en UC San Diego, Nicholas D. Johnson Antonio Pinto-Duarte, Wei Tian Nora Emerson, Julia Osteen, Jacinta Lucero, M. Margarita Behrens y Joseph R. Ecker en el Instituto Salk de Estudios Biológicos , Kimberly Silett y Sten Linnarsson del Instituto Karolinksa Anna Marie Yanny, Julie Nyhus, Nick Dee, Tamara Casper, Nadiya Shapovalova, Daniel Hirschstein, Rebecca D. Hodge Trygve Bakken, Boaz Levi y Ed Lein del Instituto Allen de Ciencias del Cerebro y C. Dirk Keene en la Universidad de Washington Seattle.

El estudio fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (subvenciones UM1MH130994, U01MH114812, U54HG012510 y S10 OD026929), la Fundación Nacional de Ciencias (subvención OIA-2040727); la Nancy and Buster Alford Endowment, la Life Sciences Research Foundation, así como donaciones de Google, Adobe y Teradata.