Мозг человека изучили на уровне единичных клеток

Мозг млекопитающих состоит из миллиардов нейронов и глиальных клеток. Они организованы в несколько основных функциональных областей, имеющих разное происхождение. Кора головного мозга изучена наиболее хорошо из-за ее роли в познавательной деятельности, однако и другие области не менее важны. За последние несколько лет методы анализа единичных клеток произвели революцию в понимании клеточного разнообразия мозга. В клетках мозга мышей были описаны сотни типов транскриптомов. В то же время для мозга человека было профилировано лишь несколько областей за пределами коры головного мозга.

Проект Атлас клеток человека (Human Cell Atlas) собрал данные, полученные сразу несколькими международными исследовательскими коллективами, входящими в инициативу BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies). По словам исследователя Каролинского института Стена Линнарссона, атлас уже используется учеными по всему миру. Он пояснил, что в настоящее время атлас является только «первым черновиком» и будет пополняться.

Результаты одного из исследований Стен Линнарссон и его коллеги опубликовали в журнале Science. Они взяли посмертные образцы от трех доноров и исследовали нейроны примерно из 100 областей переднего, среднего и заднего мозга (таких как кора, гиппокамп, ядра головного мозга, гипоталамус, таламус, мост, продолговатый мозг и мозжечок). Ученые секвенировали РНК единичных клеток (более 3 млн клеток, в том числе более 2 млн нейронов). Основываясь на экспрессии генов, они выделили около 3313 субкластеров, которые сгруппировали в 461 кластер и в 31 «суперкластер». Это позволило охарактеризовать типы, функции и разнообразие клеток в мозге взрослого человека. Исследователи не только подтвердили общую сложность структуры мозга, но и продемонстрировали, что высокой сложностью и разнообразием обладают клетки не только коры, но и ствола мозга человека. «Около двух третей типов клеток было обнаружено за пределами коры, — отметил Линнарссон. — Это показывает, как мало мы все еще знаем об областях за пределами коры».

В другой работе исследователи из Института биологических исследований Солка, Калифорнийского университета и других организаций исследовали эпигеномы 517 тыс. клеток (399 тыс. нейронов и 118 тыс. не-нейронов) из 46 областей мозга трех взрослых мужчин, скомбинировав анализ метилирования ДНК и конформации хроматина на уровне единичных клеток. Они идентифицировали молекулярные характеристики 188 типов клеток. Такой комплексный анализ позволили выявить согласованность в изменениях метилирования ДНК, доступности и организации хроматина, а также экспрессии генов в разных типах клеток, областях коры и структурах базальных ганглиев. Ученые разработали штрих-коды метилирования единичных клеток (scMCodes), которые надежно определяют типы клеток головного мозга, используя статус метилирования выбранных сайтов генома. Такие штрих-коды имеют большие перспективы для точной идентификации типов клеток головного мозга человека.

Еще одно исследование, проведенное под руководством ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего и опубликованное в Science, дало ключ к пониманию паттернов метилирования ДНК, лежащих в основе нейропсихиатрических состояний, таких как шизофрения, биполярное расстройство, депрессия и болезнь Альцгеймера. Авторы этой работы использовали такие подходы, как секвенирование РНК единичных клеток, профилирование метилирования ДНК единичных клеток, анализ доступности хроматина с использованием ATAC-секвенирования единичных ядер в сочетании с машинным обучением. Они изучили регуляторные особенности в более 1,1 млн клеток из 42 областей головного мозга трех взрослых доноров и создали атлас хроматина головного мозга человека, который доступен бесплатно для всех исследователей на веб-ресурсе CATLAS. Они использовали этот атлас для описания 107 различных типов клеток головного мозга и охарактеризовали доступность хроматина для 544 735 предполагаемых регуляторных элементов транскрипции в этих типах клеток. С его помощью они также спрогнозировали типы клеток, связанных с 19 нейропсихиатрическими заболеваниями и расстройствами.

Помимо типов, разнообразия и регуляции клеток головного мозга, исследования из коллекции Атласа клеток человека позволили изучить детали развития человеческого мозга, восприимчивости к болезням и многого другого. Например, Линнарссон и его коллеги из Швеции и Великобритании использовали РНК-секвенирование единичных клеток и пространственное транскриптомное картирование с помощью флуоресцентной гибридизации in situ (FISH). Ученые проанализировали 26 образцов развивающегося мозга, отобранные с 5-й до 14-ую недели после зачатия. В результате они идентифицировали 616 кластеров, которые аннотировали метаданными, включая класс и подкласс, пространственное расположение, эмбриональный возраст и специфические маркеры экспрессии генов, что позволило проследить за развитием мозга в первом триместре беременности.

Команда из Калифорнийского университета в Сан-Франциско с коллабораторами провела РНК-секвенирование более чем 700 000 единичных ядер от 106 пренатальных и постнатальных доноров. Они определили клеточные линии и стадии развития, связанные с риском нарушений нервного развития, и показали, что генетические факторы риска аутизма особенно часто встречаются в специфичных программах экспрессии генов, активных в женских клетках.

Научная группа из Школы медицины Икана Медицинского центра Маунт Синай и Медицинской школы Йельского университета провела мультиомное профилирование развивающейся коры головного мозга человека на уровне единичных клеток и опубликовала результаты своей работы в журнале Science Advances. Ученые профилировали более 45 500 ядер коры головного мозга человека в шести временных точках развития: от ранней беременности до взрослой жизни. Анализ позволил выделить области, которые обычно отличаются у людей с биполярным расстройством, шизофренией или другими состояниями.

Исследователи из Института исследований мозга Аллена, Шведского института нейронаук и Вашингтонского университета провели РНК-секвенирование единичных ядер в комбинации с полногеномным секвенированием для образцов от 75 взрослых людей, перенесших удаление опухоли мозга или оперативное лечение эпилепсии. Всего они проанализировали почти 400 000 ядер, охватывающих все основные типы клеток неокортекса. Почти все ядра соответствовали одному из 125 основных типов клеток, идентифицированных в средней височной извилине. Они обнаружили некоторые различия в распространенности и профилях экспрессии генов, особенно в глутаматергических нейронах глубоких слоев и микроглии. В большинстве типов клеток изменчивость была связана с экспрессией от 150 до 250 генов. Эти результаты важны для типирования клеток в норме и при заболеваниях.

Авторы под руководством ученых из Школы медицины Университета Мэриленда охарактеризовали постнатальное развитие нейронов мозжечка и глии у детей в возрасте от 1 до 5 лет. Они работали с посмертными образцами мозга и сравнивали профили экспрессии генов и доступности хроматина у детей, которые умерли от воспалительного процесса, и у умерших в результате несчастного случая. Воспаление и постнатальное созревание мозжечка оказались связаны с обширными транскрипционными изменениями главным образом в двух подтипах тормозных нейронов: нейронах Пуркинье и нейронах Гольджи. Авторы также показали, что воспаление может быть связано с преждевременным подавлением программ экспрессии генов развития.

Команда исследователей из Института исследований мозга Аллена и коллабораторов собрали образцы из восьми областей неокортекса (включая первичную сенсорную и ассоциативную кору), изучили их с использованием методов транскриптомики единичных ядер и получили набор данных, состоящих из более чем 1,1 млн ядер. Полученные ими результаты проливают свет на принципы организации неокортекса человека и закладывают основу для его дальнейшего изучения.

Другие исследования, опубликованные в журналах семейства Science, были посвящены особенностям мозга приматов, таких как обыкновенные игрунки и макаки-резусы. В одном из них ученые получили 2,6 млн транскриптомов и 1,6 млн эпигеномов единичных клеток из 30 областей мозга макаки-резуса. Они идентифицировали 112 различных молекулярных типов и подтипов клеток, охарактеризовали их распределение и создали молекулярный атлас, охватывающий мозг взрослой макаки. Полученные ими данные находятся в свободном доступе и могут послужить ресурсом для сообществ нейробиологов и нейрогеномиков.

Таким образом, развитие методологии анализа единичных клеток и ядер позволило перейти от простого описания клеток мозга к их широкомасштабному профилированию и детальному изучению динамических изменений, происходящих в разных областях мозга. «Наша работа на самом деле вышла за рамки простого исследования типов клеток мозга, — объясняет Вэй Тянь, научный сотрудник лаборатории геномного анализа Института биологических исследований Солка. — В частности, мы фокусируемся на механизмах регуляции генов, лежащих в основе сложности и разнообразия типов клеток мозга».