Eine der großen Herausforderungen der Neurobiologie ist die Zelle Klassifikation, ein problem noch verschärft durch die Tatsache, dass der gleiche Zelltyp kann unterschiedlich Aussehen, abhängig von der Methode der Analyse verwendet, Sie zu klassifizieren—ob durch Zellform, gen-Ausdruck-profile, elektrophysiologische firing pattern, oder die selektive Anfälligkeit für bestimmte Krankheiten.
„Es gibt viele einzelne Zelltypen im Gehirn, und wir wissen nicht, wie Sie zu identifizieren“, sagte Kenneth S. Kosik, Harriman Professor der Neurologie in der Abteilung der Molekularen, Zellulären und Entwicklungsbiologie an der UC Santa Barbara und co-Direktor des campus Neuroscience Research Institute. In der Klassifizierung Paradigmen, die den Fokus auf die Gene äußern sich zu definieren-Zell-Typ, haben die Forscher schauten messenger-RNAS (mRNAs). Aber in einem Projekt beschrieben in dem Artikel „Regulation der Zelltyp-Spezifischen Transkriptome von MicroRNA Netzwerken Während der Menschlichen Entwicklung des Gehirns,“ Kosik und seine co-Autoren „brachte eine zusätzliche parameter—micro-RNAs (miRNAs)—auf das problem der Klassifizierung. Forscher hatten sich vorher nicht angeschaut miRNAs bei der Einzel-Zell-Ebene, um bei Zell-Typ Spezifität.“ Wenn die DNA ist der Architekt hält die genetische Blaupause für die Art der Replikation, dann die RNA ist die auf-den-Boden-builder verantwortlich, die manchmal für die Einleitung, und andere Zeiten, die Sie für die Durchführung oder Delegation, mehrere Prozesse, die notwendig für die Erschaffung von vollständig realisierten Wohnformen.
Wichtige Aufgaben für die boten-RNA verantwortlich ist, gehört das Lesen der genetischen information aus der DNA und die übersetzung in Proteine, dass das Feuer der Zelle-Fabrik. RNA spielt auch eine Rolle bei der Regulierung der Zell-Produktion, eine besonders wichtige Funktion für die Gewährleistung, dass die Gene ausgedrückt werden, korrekt und Zellen produziert werden, in der richtigen Höhe.
In seiner regulatorischen Rolle, die mRNA ist ein unentbehrlicher Helfer—microRNA (miRNA), die arbeitet, um zu verhindern, über die Verbreitung von bestimmten Arten von Zellen. Solche überproduktion „kann Auswirkungen haben Krankheiten, die pränatalen Ursprünge, wie ASD [autism spectrum disorder],“, sagte co-Erstautor Mahdi Golkaram, ein Bioinformatiker in illumina wer verdient einen Ph. D. in mechanical engineering an der UC Santa Barbara im Jahr 2018.
Die Interaktionen zwischen mRNA-und miRNA-sind das Thema des Papiers. Die Forscher suchten zu verstehen, die komplexe Zeit – und Kontext-spezifischen zusammenspiel zwischen den beiden, und wie die Ungleichgewichte zwischen Ihnen kann es sich um pränatal gebildet, Krankheit im menschlichen Gehirn.
„Ein besseres Verständnis, wie mRNAs und miRNAs arbeiten zusammen, und wie das aussieht in der normalen Zelle-Entwicklung und Genexpression, wäre hilfreich beim Verständnis und der Bewältigung einer Reihe von pränatal entwickelt, die Krankheiten und Störungen,“ Golkaram sagte.
In der Regel, erklärte er, als mRNAs und miRNAs sind an der richtigen Stelle ist und ordnungsgemäß funktioniert, als eine „zweiseitige“ Netzwerk, Sie hemmen die translation von Genen und die Produktion von Proteinen zu verhindern, dass ein ungesundes übermaß von jedem Zelltyp. Aber wenn Sie nicht gut funktionieren, wie wenn ein miRNA unterdrückt wird und nicht hemmen gen-translation, kann das Ergebnis überexpression eines oder mehrerer Gene und unkontrollierte Produktion von bestimmten Zellen. Brustkrebs ist die am meisten bekannte resultierenden Pathologie, Golkaram hingewiesen.
„In der Interaktion zwischen diesen zwei verschiedene Modi, jede boten-RNA gezielt durch mehrere Mikro-RNAs und Umgekehrt“, Golkaram sagte. „Aber die Interaktion von mRNAs und miRNAs bilden nicht zufällig angeschlossen. Das Netzwerk enthält Gemeinschaften—Sie können von Ihnen denken, als „Cluster“ —und wenn man sich bei einem bestimmten cluster enthält eine Reihe von beiden mRNAs und miRNAs und wurde extrahiert aus dem Netzwerk, können Sie sehen, dass die cluster angereichert ist unterschiedlich stark in den verschiedenen Zelltypen. So, die Mitglieder dieses Clusters sind die mRNAs und miRNAs, deren expression ist bekannt, zu regulieren nach oben oder unten in diesen Zelltypen. Wenn ein Cluster nicht ordnungsgemäß funktioniert, können Sie den Ausschlag gegen oder zu Gunsten der Zelle geben, und das kann zu Krankheiten führen.“
Die Biologen studierten die kleinen, nicht-kodierenden miRNAs seit Jahrzehnten und wissen, dass, im Allgemeinen, Sie dienen zu unterdrücken, um überschüssige protein-Produktion durch die Verhinderung von mRNA, die aus der übersetzung der genetischen Codierung. Sie haben deshalb eine Rolle in der Feinabstimmung der Signalwege, die sind in Bezug auf die Entwicklung des Gehirns. Aber Ihre Funktion hängt vom Kontext ab, und es ändert sich das Gehirn entwickelt und nach denen Sie ausgedrückt werden.
Bis heute gibt es keine Technik gab, sehen alle die mRNA-und miRNA-Expressionen in den einzelnen Zellen. Für dieses Projekt verwendeten die Forscher ein single-cell-rTQ-PCR oder quantitative polymerase-Kettenreaktion-Methode. Traditionell, rTQ-PCR wurde verwendet, für die Bevölkerung, die nicht von einzelnen Zellen, Golkaram erklärt. „Sie schauen auf eine Vielzahl von Zellen gleichzeitig, und das Verhalten, die Sie erfassen, ist ein Durchschnitt der Bevölkerung“, sagte er. „Sie haben nicht die Auflösung, um einzelne Zellen, die ist hier sehr wichtig, denn wir sprechen von mRNA-miRNA-Interaktionen in spezifischen Zelltypen. Also, der Mittelwert oder Durchschnitt, Verhalten der Bevölkerung, nicht repräsentativ.“
Für die Projekt-teams an der UC Santa Barbara und UC San Francisco entwickelte eine individuelle qPCR-Verfahren, die erfassen könnten beide mRNAs und miRNAs in jeder einzelnen Zelle. „Das war ein wichtiger Schritt nach vorn“, Golkaram sagte. „Es hat uns geholfen zu sehen, dass die expression dieser targeting-micro-RNAs ist sehr cell-type specific.“
Die Wissenschaftler Proben aus der pränatalen menschlichen Gehirnzellen gesammelt, die unter strengen ethischen und gesetzlichen Vorschriften. Golkaram, arbeiten im Labor von Linda Petzold, seinen Ph. D. advisor, entwickelt eine Maschine-learning-Ansatz zum identifizieren und extrahieren von mustern aus, was zu einem chaotischen, lauten system, das Millionen von Datenpunkten repräsentiert die mRNA-miRNA-Interaktionen. Sie werden dann verwendet, die Muster, Hypothesen zu entwickeln, die die experimentellen teams an der UCSB und der UCSF in der Testumgebung getestet haben.
Die frühere, allgemeinere Hypothesen wurden im Zusammenhang mit der expression bestimmter Arten von RNA, die höher oder niedriger in bestimmten Zelltypen. „Aber was wir getan haben, war die Betrachtung aller micro-RNAs und mRNAs zur gleichen Zeit, Genom-weiten, anstatt nur cherry-picking ein paar mit hoher Präzision,“ Golkaram erklärt.
Um das zu tun, sagte er, „Wir Bauten das Netzwerk durch experimentelle Ermittlung die Menge der mRNA, micro-RNA, die Ziele und den Anschluss aller miRNA zu Ihren festgelegten Zielen. Das gab uns das große Bild, so dass uns der Blick auf das größere Netzwerk und die verschiedenen Module innerhalb es. Bestimmten Clustern sind Vertreter von verschiedenen Zelltypen und bestimmte micro-RNAs zeigen cell-type-specific expression.
„Wir können sagen, ‚OK, in dem einen Zelltyp, der expression von Mikro-RNAs moduliert werden, in einem bestimmten Ort oder zu einem bestimmten Zeitpunkt zu tragen verschiedene Ebenen der Regulierung in den cluster, aus denen Sie extrahiert wurden,“ fuhr er Fort. „Deshalb können wir vergleichen, jemand, der Autismus-Spektrum-Störung mit jemanden, der gesund ist und sehen, dass Sie verschiedene Ebenen der expression dieser miRNA und die verschiedenen Ebenen der Regulierung.
Die Forscher verwendeten zwei Methoden, um zu bestätigen, dass ein cluster ist assoziiert mit ASD. Man war der Vergleich der mRNA-miRNA-levels in diesem cluster bei Mäusen, die Träger des Gens im Zusammenhang mit ASD, um die Ebenen in gesunden Mäusen. Der andere war zu beobachten, signifikante überschneidungen zwischen den miRNAs und mRNAs in das cluster und diejenigen, die früheren Studien von Erwachsenen Menschen gezeigt haben, dass Sie einbezogen werden in ASD. „Wir können quantifizieren, der Unterschied in der miRNA-expression und der mRNA-miRNA-Interaktionen im gesunden und ungesunden Gehirn,“ Golkaram sagte.
Schließlich, fügte er hinzu, „Heterogenität von Zelltypen entscheidend für einen Organismus die Fähigkeit zu überleben und zu gedeihen, und die Regulierung ist der Schlüssel. Wenn wir wollen, schauen Sie sich die verschiedenen Krankheiten, die mit der pränatalen Ursprünge und verstehen, was Sie verursacht, ist es wichtig, ein mechanistisches Verständnis der mRNA-miRNA-Interaktionen. Diese Studie sagt uns, dass das Ungleichgewicht zwischen den Zelltypen, die während der frühen Entwicklung zu dieser Krankheit führen können, und auch, dass dieses Ungleichgewicht resultiert aus diesen beiden Modi—mRNA-und miRNA—nicht korrekt ausgerichtet ist.“