3. del: Različni genetski znaki kortikalnih in subkortikalnih regij, povezanih s človeškim spominom

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-pošta:audrey.hu@wecistanche.com

Kliknite tukaj za 2. del

Ocena učinkovitosti ogrodja

Če je naš nenadzorovan pristop veljaven, zaspominanalize pričakujemo, da bi morali imeti spominski geni višjo korelacijsko vrednost odspominanalizo v primerjavi z motorično analizo (tj. preverjanje razuma; sliki 1G, 6). Poleg tega pričakujemo večje število spominskih genov na vrhu -10spomingenov v analizi spomina, kot je bilo po naključju pričakovano (tj. statistična pomembnost; tabeli 5, 6), in da najdemo večspomingeni kot geni motorične funkcije (tj. natančnost metode; slika 7).

Slika 6. Razlike v korelacijskih vrednostih Bootstrapped za vse kortikalne in subkortikalne kandidatne genespominin motorične analize. Za dani pomnilniški gen smo izračunali razliko med pomnilniško in motorično analizo vrednosti r tako, da smo od pomnilnika r odšteli motorični r. Če jespominr je bil negativen, smo vzeli minus razlike (da dobimo pozitivno vrednost). Nasprotno za motorične gene. Za vsako kognitivno funkcijo smo podvzorčili število uporabljenih genov do najnižjega števila za izračun zagonske srednje razlike (231spomingeni oziroma 146 motoričnih genov, 10,000 ponovitev). Če se 95. percentil ni prekrival z izhodiščem nič, se zagonska razlika šteje za pomembno (p 0.05). Upoštevajte, da za motorično kortikalno analizo noben negativno korelirani geni niso preživeli praga, zato tukaj ni prikazan noben seznam motoričnih kortikalnih (–) genov. Glejte sliko razširjenih podatkov 6-1 za celoten seznam razlik v korelacijskih vrednostih za gene, uporabljene v analizi zagona. označuje p 0,05.

Z uporabo korelacijskih vrednosti kandidatnih genov pokažemo, da jespomingeni so pokazali pomembno pozitivno razliko medspominr-vrednost analize in r-vrednost motorične analize, saj se 95. percentil (brki) ni prekrival z ničlo (slika 6; vse vrednosti korelacije genov, uporabljene v analizi zagona na sliki razširjenih podatkov 6-1). Kot tak naš pristop deluje po pričakovanjih.

Ugotovili smo, da je metoda zelo učinkovita. Za vsespominkortikalnih in subkortikalnih seznamov genov je bila verjetnost pridobitve števila opazovanih spominskih genov bistveno večja od naključja (tabela 5; celoten seznam genov, povezanih s spominom in motoričnimi funkcijami, ki predstavljajo naključno verjetnost v razširjeni podatkovni tabeli 5-1) . Podobno je bila za vse sezname motoričnih kortikalnih in subkortikalnih genov zelo pomembna tudi verjetnost izpeljave števila opazovanih motoričnih genov.

Z uporabo domnevnih funkcij genov, sklepanih na podlagi pregleda literature, smo tudi ugotovili, da je bila metoda zelo natančna, saj je razlika v rezultatih natančnosti seznama najboljših-10 genov kandidatov nenegativna [razen za motorični podkorteks (–) , slika 7; izračun vrednosti natančnosti na sliki razširjenih podatkov 7-1]. Ti rezultati kažejo, da je metoda veljavna in specifična pri identifikaciji genov, povezanih zspominin motorične funkcije.

Cistanche lahko izboljša spomin

Diskusija

Naši rezultati skupaj kažejo, da kortikalne in subkortikalne regije sodelujejo pri človekuspominimajo različne genetske podpise. Ti genetski podpisi so v skladu s predhodnimi raziskavami na živalskih modelih spomina in jih je bilo mogoče ločiti od nadzora motoričnih funkcij. Tako smo pokazali, da je mogoče močne podobnosti med prostorskimi vzorci transkriptoma človeških možganov in funkcionalnim zemljevidom nevrološkega slikanja spomina izkoristiti za poudarjanje kandidatnih bioloških procesov in genov, povezanih s človeškimspominza prihodnje eksperimentalne preiskave. To lahko prispeva k našemu znanju o funkcionalnih razlikah kortikalnih in subkortikalnih regij v zdravi funkciji človeškega spomina inspominmotnje.

Trenutno človeškospomindokazi na splošno izhajajo iz priljubljenih neinvazivnih metod, kot je GWAS (Wellcome Trust Case Control Consortium, 2007), ki identificira povezave med genskimi različicami in kognicijo (Heck et al., 2014). Vendar GWAS ignorira prostorsko porazdeljeno izražanje genov v možganih tako, da analizira izključno genske različice o možganih ali vedenjske ukrepe (Hawrylycz et al., 2012; Mahfouz et al., 2017). Naš pristop se opira na prostorski vzorec izražanja genov in identificira genetske profile, povezane s človekomspomin. Bistveno je, da je naš nenadzorovani pristop vsestranski, saj lahko razkrije vpogled brez primere v katero koli človeško kognitivno funkcijo, ki nas zanima, npr. odločanje. Ta vpogled je lahko še posebej koristen v primeru klinično pomembnih funkcij, vendar z genetsko osnovo, ki je manj razumljiva, npr. pozornost (ADHD) in jezik (disleksija).

Za prepoznavanje splošnega človekaspomingenov, ki delujejo v možganih, smo primerjali razlike in prekrivanje med kortikalnimi in subkortikalnimi spominskimi geni (slika 1). Zlasti je ta primerjava prekrivanja podprta z obstojem osnovnih genovspomindelujejo kot celota, kot v primeru nevronsko izraženih takojšnjih zgodnjih genov (IEG), ki sodelujejo pri spominski funkciji (Gallo et al., 2018). IEG so širok razred genov, ki se izražajo na hiter, prehoden način kot odziv na množico celičnih dražljajev. Od nevronsko specifičnih IEG so c-fos, Egr1 in arc na splošno povezani z različnimi vidikispominna kortikalnih in subkortikalnih področjih. Na primer, blokada hipokampusa c-Fos je negativno vplivala na prostorski dolgoročni spomin (Kemp et al., 2013), njegova blokada v hipokampusu ali retrosplenialnem korteksu pa je povzročila pomanjkljivosti pri konsolidaciji spomina na strah (Katche et al., 2010; Katche in Medina, 2017). Takšni geni so pomembni za različne podtipe spomina v kortikalnih in subkortikalnih področjih, ki jih imenujemo splošni možganispomingeni.

Če obstajajo taki splošnispomingeni, katerih delovanje vspominzajema celotne možgane, bi morale kortikalne in subkortikalne analize pokazati prekrivajoče se gene. Ugotovili smo, da imajo kortikalna in subkortikalna področja zelo različne genetske profile, kot jih identificira gensko-funkcionalna prostorska korelacija (slika 5). V zgornjih-10 kortikalnih in subkortikalnih spominskih genih ni bilo prekrivanja, z nekaj prekrivanja zaspomingeni (9,6 odstotka od 1397 genov) in genski nizi bioloških procesov (2,5 odstotka od 118 genskih nizov).

Na ravni bioloških procesov smo ugotovili razlike v kortikalni in subkortikalnispomin. V korteksu so identificirani genski nizi vključevali epigenetsko regulacijo in imunsko signalizacijo. Slednji je bil nedavno deležen zanimanja kot osrednji dejavnik pri nastanku in napredovanju demence (Littelohn et al., 2014; Kim in Kaang, 2017; Hammond et al., 2019). V podkorteksu so identificirani geni vključeni v nevrogenezo in diferenciacijo glialnih celic. Poleg tega smo identificirali genske sklope z manj razumljeno povezavo dospominprav tako. Na primer, nedavno so odkrili, da so astrociti in oligodendrociti vpleteni v povezovanje glialno posredovane kalijeve homeostaze in mielinizacije s spominskimi pomanjkljivostmi (Hertz in Chen, 2016; Pepper et al., 2018). Še vedno ni jasno, kako lahko mielinizirajoči oligodendrociti omogočijo plastičnost v spominu (Pepper et al., 2018). Naše delo kaže, da ima lahko diferenciacija glialnih celic dopolnilno vlogo pri spominski funkciji in jo je treba nadalje raziskati za celovito razumevanje celičnih prispevkov k spominu. Na splošno lahko to kaže na inherentne razlike v bioloških procesih, ki podpirajo kortikalne in subkortikalne spominske regije. Prihodnje delo bo morda preučilo medsebojno delovanje teh procesov in razjasnilo njihove različne prispevke k kortikalni in subkortikalni spominski funkciji.

Na genski ravni obogateni geni za kortikalno in subkortikalnospominbili podobno različni. Od obogatenih genov, ki so povezani z zgornjimi biološkimi procesi (v sklopih S in S-), je bil majhen delež genov (9,6 odstotka ali 135 genov) deljen med kortikalnimi in subkortikalnimi regijami (slika 5). Ti geni so povezani s kompleksom Arp2/3, z ligandom odvisnimi ionskimi kanali GABA in AMPA in od SRP-odvisne lokalizacije proteina na membrani. Kompleks Arp2/3 je potreben za zorenje dendritičnih bodic, hipokampalni in zunajhipokampalni AMPA receptorji so vključeni v ekscitatorne ionske kanale v spominu, GABA receptorske podenote pa so del inhibitornih ionskih kanalov v spominski funkciji (Collinson et al., 2002). ; Freudenberg et al., 2016; Spence et al., 2016). Kot taka to povzema znano literaturo in namiguje na osnovne zahteve za splošno funkcijo spomina. Na splošno lahko to kaže na razlike zaradi velikih kortiko-subkortikalnih razlik v profilih transkriptoma in delovanju pri zdravi funkciji spomina in bolezni (Huber et al., 1986; Salmon in Filoteo, 2007). Prihodnje delo bo morda preučilo, kako konvergenca in divergenca med kortikalnimi in subkortikalnimi genetskimi profili in kako ti omogočajo kortiko-subkortikalne specifične funkcije vspomin.

Poleg tega je identificiran tudi naš pristopspomin-povezani geni s slabo razumljenimi odnosi dospomin. Na primer, gen MIS18BP1 je bil identificiran v subkortikaluspomingeni (Razširjena podatkovna tabela 2-1). Ta gen je potreben za rekrutiranje proteinov centromere v centromere in omogoča normalno ločevanje kromosomov med mitozo (Moree et al., 2011). Ni jasno, ali imajo takšni geni za delitev celic vlogo pri spominu v subkortikalnih območjih. Vendar pa je bil gen povezan s hipokampalno nevrogenezo, ki je kritična za delovanje hipokampusa v spominu (Shin et al., 2015; Gonçalves et al., 2016). Takšni manj znani geni predstavljajo ključni prispevek našega okvira, saj je treba njihovo neposredno povezavo s spominom šele vzpostaviti in jo je treba preučiti v prihodnjih raziskavah.

Naše analize izražanja genov in zemljevidov slikanja nevronov niso brez omejitev. Ti vključujejo omejeno velikost vzorca, veljavnost pristopa, podobnega rudarjenju besedila, z GSEA in knjižnico Gene Ontology ter prostorsko ločljivost AHBA. Prvič, omejena velikost vzorca darovalca in zmanjšana pokritost genoma po predprocesiranju lahko prispevata k zmanjšani moči, vendar ne k statistični natančnosti našega pristopa. Čeprav bo prihodnje povečanje velikosti vzorca morda identificiralo več genov s to metodo, smo ugotovili, da so trenutni rezultati zanesljivi, saj so naši rezultati bistveno boljši od naključja (tj. statistične pomembnosti). Poleg tega so bili identificirani geni specifični za spomin, kar dokazuje natančnost našega okvira. Drugič, GSEA uporablja knjižnico genske ontologije za identifikacijo obogatenih genskih nizov in povezuje te obogatene gene z ontološkimi izrazi knjižnice, npr. sinaptična plastičnost. Priznavamo, da se knjižnica genske ontologije nenehno širi s prizadevanji za ročno urejanje in je zato ranljiva, da jo prehiti poplava nedavnih eksperimentalnih ugotovitev (Baumgartner et al., 2007; Dutkowski et al., 2013; Gaudet in Dessi-Moz). , 2017). Kot taka je možno, da je zbirka podatkov nepopolna in ne odraža vseh bioloških funkcij, povezanih s posameznim genom. To lahko privede do lažno negativnih rezultatov, kjer izpustimo gene, ki bi jih morali obravnavati kot obogatene. Kljub temu naš pristop kaže visoko učinkovitost (kot je razvidno iz zgornje-10spominin geni motoričnih funkcij) in rezultati so v skladu z znano eksperimentalno literaturo, neodvisno od ontoloških knjižnic. Poleg tega nenadzorovane metode identifikacije kandidatnih genov vedno zahtevajo ročno obdelavo in izbiro teh genov za nadaljnje preiskave. Tretjič, ta pristop je omejen tudi s prostorsko ločljivostjo transkriptoma človeških možganov. Kljub temu, da je najprimernejši človeški transkripcijski atlas s svojim celotnim genomom in visoko ločljivostjo celih možganov, ima zemljevid AHBA še vedno nižjo ločljivost v primerjavi s funkcionalnimi slikovnimi zemljevidi, zlasti v korteksu (Hawrylycz et al., 2011). Zato pričakujemo, da bosta natančnost in statistična moč našega pristopa rasli, ko se bosta prostorska ločljivost in velikost vzorca baze podatkov AHBA povečevali. Poleg tega, ker je prevajanje genske mRNA v funkcionalni produkt predmet regulacije, so možganski proteomi darovalca lahko komplementarni pri prepoznavanju genov, povezanih zspomin(Lubec et al., 2003; Park et al., 2006; Sjöstedt et al., 2015).

Zaključek

Tukaj z uporabo možganskega transkripcijskega atlasa Allen Institute in zemljevidov nevroslik Neurosynth prikazujemo kortikalno in subkortikalnospominregije imajo različne genetske podpise. Ti genetski podpisi zagotavljajo nove biološke procese in molekularne tarče za razumevanje funkcije človeškega spomina. Bistveno je, da upamo, da bo naš nenadzorovan in prostorsko voden pristop lahko pomagal usmeriti raziskovalce k kandidatom za produktivne gene in biološke procese za razumevanje, kako zapletene kognitivne funkcije, kot je npr.spominlahko omogočijo molekularne komponente možganov.