Søgen efter at lære, om vores hjernes mutationer påvirker mental sundhed

I årevis har forskere forsøgt at finde et gen for tilstande som skizofreni, Alzheimers og autisme. Men den egentlige kilde kunne ligge i et meget mere komplekst genetisk puslespil.

Ved

• Roxanne Khamsi arkiv side

25. august 2021

Tony Luong

Da Mike McConnell besluttede sig for, hvad han ville bruge sin karriere på at arbejde på, var han 29, inspireret til at begynde sin ph.d. - og gik i stykker. Han havde lært fra sine biologitimer, at immunceller i kroppen konstant omarrangerer deres eget DNA: Det er det, der tillader dem at beskytte os ved at lave receptorer i de rigtige former til at binde sig til invasive patogener. Da han afsluttede en kandidatgrad i immunologi i Virginia i slutningen af ​​1990'erne, blev han besat af det over øl med sine værelseskammerater. Pludselig klikkede denne idé på en måde, husker McConnell. Hvis genomlejring hjalp immunsystemet med at fungere, hvor kunne det ellers ske? Hvad med hjernen? Ville det ikke være pænt, hvis neuroner også gjorde sådan noget? han tænkte.

På det tidspunkt antog de fleste videnskabsmænd, at celler i det normale nervesystem havde identiske genomer. Men McConnell kiggede gennem den videnskabelige litteratur og fandt ud af, at han ikke var den eneste, der var på sporet af dette spørgsmål: en neurovidenskabsmand ved navn Jerold Chun ved University of California, San Diego, arbejdede allerede på det. Han skrev til Chun og overtalte ham til at lade ham slutte sig til sit laboratorium på vestkysten. Der var kun et problem: McConnell havde ikke råd til at komme dertil.

Denne historie var en del af vores september 2021-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Han var allerede en udsultet kandidatstuderende, uden penge til at reparere sin flåde 1966 Mustang - og som den første person i hans familie, der gik på college, havde han ikke adgang til mange ressourcer. Jeg havde ikke nogen, der skulle slippe nogle flytteudgifter i skødet eller nogen af ​​den slags, forklarer han. Chun gav ham 1.000 dollars til at reparere den ødelagte bil og komme på tværs af landet, så han kunne begynde at teste sin hypotese.

Ved at bruge specielle farvestoffer til at farve kromosomerne af neuroner fra museembryoner og voksne mus, håbede McConnell at finde ud af, at neuronerne havde gennemgået den samme type genetiske omlejring, som man ser i immunceller, hvilket gav mangfoldighed snarere end de perfekte kopier, de fleste forskere ville have forventet. I stedet blev han dog ved med at finde hjerneceller, der havde det forkerte antal kromosomer.

Mike McConnell har brugt sin karriere på at lære om hjernens mosaik: Vi tog denne skøre idé alvorligt.

NOAH WILLMAN

Dette var en overraskelse. Når celler deler sig, replikerer de deres DNA til deres datterceller. Nogle gange tilføjes eller tabes kopier af gener ved et uheld, hvilket - i modsætning til omskiftningen i kromosomerne, der er gavnligt i immunsystemet - blev anset for at være en enormt skadelig fejl. Det gav ikke mening, at neuroner kunne overleve sådan en kæmpe ændring i deres genetiske materiale. Men McConnell blev ved med at finde afvigende neuroner med ekstra eller manglende kromosomer. Til sidst måtte han genoverveje videnskabelige antagelser. Vi tog den skøre idé alvorligt, siger han. En postdoc-stipendiat i laboratoriet ved navn Stevens Rehen havde ekspertise i at dyrke neuronerne til undersøgelse, hvilket gjorde det muligt at analysere dataene.

UCSD-holdets eksperimenter, offentliggjort i 2001, viste, at centralnervesystemet i udviklingen af ​​museembryoner indeholdt ikke perfekte genetiske kopier . I stedet foreslog forskerne, at omkring en tredjedel af neuronerne fra hvert museembryo i gennemsnit havde mistet et kromosom eller fået et ekstra. Resultatet var, hvad der er kendt som en genetisk mosaik. Mens mange af disse celler ikke overlevede, kom nogle ind i hjernen på voksne mus. McConnell, Chun og deres medforfattere undrede sig over, hvad sådan en genetisk mosaik kunne betyde. Måske kan det hos mennesker være en medvirkende årsag til neurologiske lidelser eller endda psykiatrisk sygdom. Under alle omstændigheder var det et tidligt fingerpeg om, at den konventionelle opfattelse af genetisk identiske hjerneceller var forkert.

På det tidspunkt ledte forskere, der søgte at forstå biologien af ​​psykisk sygdom, hovedsageligt efter genetiske mutationer, der var opstået i nærheden af ​​undfangelsesøjeblikket og således blev afspejlet i alle en persons celler. Der var opstået fristende spor om, at et enkelt gen kunne være ansvarlig for visse tilstande. I 1970 viste det sig for eksempel, at en skotsk teenager med utilregnelig adfærd havde en ødelagt genregion - og det viste sig, at hans slægtninge med psykisk sygdom udviste samme anomali. Det tog tre årtier at isolere fejlen, som forskerne kaldte DISC1 (for forstyrret-i-skizofreni). På trods af omkring 1.000 publicerede forskningsartikler er spørgsmålet om, hvorvidt DISC1 - eller et hvilket som helst andet enkelt gen - involveret i skizofreni, stadig meget diskuteret . En håndfuld andre gener er også blevet undersøgt som mulige syndere, og en undersøgelse af hele det menneskelige genom pegede på mere end 120 forskellige steder hvor mutationer syntes at øge risikoen for sygdommen. Men efter denne omfattende søgen efter et skizofreni-gen, er der intet enkelt gen el mutation undersøgt indtil videre synes at have en stor nok indflydelse til at blive set som en definitiv årsag - ikke engang DISC1.

Faktisk har forskere kæmpet i deres søgen efter specifikke gener bag de fleste hjernesygdomme, herunder autisme og Alzheimers sygdom. I modsætning til problemer med nogle andre dele af vores krop, er langt de fleste præsentationer af hjernesygdomme ikke forbundet med et identificerbart gen, siger Chun, som nu er på Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute i La Jolla, Californien.

Men UCSD-undersøgelsen antydede en anden vej. Hvad hvis det ikke var et enkelt defekt gen - eller endda en række gener - der altid forårsagede kognitive problemer? Hvad hvis det kunne være de genetiske forskelle mellem celler?

Forklaringen havde virket langt ude, men flere forskere er begyndt at tage den alvorligt. Forskere vidste allerede, at de 85 milliarder til 100 milliarder neuroner i din hjerne til en vis grad arbejder sammen - men det, de gerne vil vide, er, om der er en risiko, når nogle af disse celler måske synger en anden genetisk melodi.

At droppe dogmet

McConnell, nu 51, har nu brugt det meste af sin karriere på at forsøge at besvare dette spørgsmål. Han virker til at begynde med afslappet med sit korte professorale skæg, firkantede briller og let surfer. Men der er også en intensitet: Han ligner lidt en yngre version af Hollywood-stjernen Liam Neeson, med dystre, livlige øjne og et rynket pande. Efter at have opnået sin ph.d., pakkede McConnell sine kufferter igen og flyttede til Boston for at starte en postdoktorstilling ved Harvard Medical School. Men han var rastløs. Han nød ikke det koldere klima og længtes efter at tage tilbage til Californien og gense de data, han havde fundet der om genetiske forskelle i hjernen. Jeg troede, at mosaicisme var det mest interessante, jeg kunne arbejde på, husker han og fejede enderne af sit brune hår bag sine ører, og en vinter i Boston fik mig virkelig til at savne San Diego.

Han begyndte at korrespondere med Rusty Gage, en neurovidenskabsmand ved Salk Institute for Biological Studies i San Diego. Gage var også interesseret i genetisk diversitet, men han var bedst kendt for at skubbe mod et andet stykke videnskabeligt dogme. Folk havde længe antaget, at voksne aldrig lavede nye neuroner, men Gage havde ledet en gruppe, der offentliggjorde et papir i slutningen af ​​1990'erne med detaljerede beviser for nyfødte celler i en hjerneregion kaldet hippocampus.

Publikationen - der etablerede beviserne for det, der kaldes voksen neurogenese - gav ham et ry som en maverick, der ikke var bange for at stå bag provokerende ideer.

Ikke alt for længe efter, at UCSD-holdet offentliggjorde sit papir om mosaicisme i hjernen, havde Gage ramt på et andet fænomen, der kunne forklare, hvordan genetisk diversitet opstår i nervesystemet.

Det var allerede kendt, at celler havde bits af DNA kaldet lange indskudte nukleare elementer, eller LINE'er, som hopper rundt i genomet. Gage og hans kolleger viste, at disse også kunne få mosaikker til at dukke op. I et eksperiment udviklede mus udviklet til at bære menneskelige DNA-elementer kendt som LINE-1'er genetisk forskellige celler i deres hjerner som et resultat.

Ligesom med sit arbejde med neurogenese, stødte Gage i begyndelsen på skepsis. Tanken om, at LINE'er - som mange anså for at være junk-DNA - kunne forårsage genetisk diversitet i hjerneceller, var i modstrid med den herskende visdom. Vi vidste, at vi skulle løbe ind i et savværk, husker han.

Men Gage og hans samarbejdspartnere blev ved med at pløje frem for at få flere beviser. Efter gnaverundersøgelsen kiggede han og hans holdkammerater på den menneskelige hjerne. Fire år senere offentliggjorde de en analyse af obduktionsprøver, som fandt det LINE-1'er virkede særligt aktive i menneskelige hjernevæv .

McConnell havde korresponderet med Gage om alt dette, inklusive kromosomvariationen, han havde fundet i musens neuroner, mens han arbejdede i Chuns laboratorium. I starten af ​​2009 havde han sikret sig et fællesskab med Gage på Salk Institute. Der ledte de efter beviser for det samme fænomen i menneskelige neuroner, og efter blot et par år fandt de det.

Som en del af eksperimentet, der udkom i Science i 2013, brugte de en ny teknologi kaldet single-cell genome sequencing. Teknikken kunne isolere og udlæse DNA'et fra individuel celler; indtil da havde forskerne kun været i stand til at analysere udvundet genetisk materiale fra poolede celleprøver.

Ved hjælp af postmortem frontale cortex-prøver fra tre raske individer anvendte de metoden på snesevis af neuroner og konstaterede, at op til 41% af cellerne havde enten manglende eller ekstra genkopier. Denne variation var rigelig, konkluderede de, og det bidrog til mosaikken af ​​genetiske forskelle i hjernen.

I stedet for at være genetisk ensartet, viser det sig, er vores hjerner fyldt med genetiske ændringer. Vi er forbi historien om, hvorvidt det sker eller ej, siger Gage. Disse mosaikbegivenheder finder sted. Dette minder meget om, hvor jeg var med den voksne neurogenese. Da alle endelig var enige om, at det skete, måtte vi finde ud af, hvad det gjorde.

Udvidelse af søgningen

Efter at have offentliggjort data fra menneskelige hjerner, følte McConnell ikke, at han ville vende tilbage til at studere mus. Så da det blev tid for ham til at oprette sit eget laboratorium på University of Virginia, satte han sig straks for at finde menneskelige prøver. Jeg brugte de første tre år som adjunkt på at finde hjerner, husker han.

Et par år efter at han landede i Virginia, fik missionen for at forstå konstellationen af ​​mutationer i hjernen et vigtigt løft. National Institute of Mental Health gav 30 millioner dollars til et konsortium, inklusive Gage, McConnell og andre, så de kunne fortsætte med at undersøge somatisk mosaik. (Somatic, fra græsk for krop, henviser til mutationer, der opstår i løbet af en persons levetid, snarere end i sædcellerne eller ægcellerne hos individets forældre.)

Netværket indeholdt forskergrupper, der så på de forskellige effekter af genetiske mosaikker. Gage og McConnell var en del af en undergruppe med fokus på sammenhængen med psykiatrisk sygdom. De udtænkte en plan for at lede efter forskellige mekanismer for mosaicisme ved hjælp af det samme sæt hjerneprøver.

Afgørende fik de human prøver. Vævsbiopsier af postmortem hjerner fra personer med skizofreni blev sendt fra et depot i Baltimore, Lieber Institute for Brain Development, til hvert af de tre hold.

En del af hver blev sendt til Gages gruppe i Californien for at blive undersøgt for LINE-1'er, der kunne have forårsaget genetisk variation i mosaik. En anden del blev sendt til McConnells team i Virginia for at lede efter genetiske mosaikker forårsaget af slettet eller duplikeret DNA i genomet.

Den resterende tredjedel af hver prøve gik til endnu et laboratorium, ledet af John Moran ved University of Michigan i Ann Arbor, som undersøgte, om celler, der erhverver små DNA-sekvensfejl meget tidligt i udviklingen, kunne danne grundlag for dannelsen af ​​store hjerneområder med samme mutation.

Der er en voksende liste over hjernesygdomme, hvor mosaicisme virkelig ser ud til at spille en rolle. Det har 'nået bevis for autisme, epilepsi og hjerneovervækstforstyrrelser,' siger McConnell.

I januar offentliggjorde en stor gruppe videnskabsmænd, inklusive medlemmer af konsortiet et papir i Nature Neuroscience, der beskriver, hvordan de brugte maskinlæring at analysere data om postmortem hjerneceller fra flere mennesker, der havde haft skizofreni. Forskerne foreslog, at LINE'er begynder aktivt at mutere hjerne-DNA tidligt i fosterudviklingen - og fandt tilfælde, hvor LINE-1'er havde bombarderet mindst to genregioner forbundet med neuropsykiatriske lidelser.

McConnell forventer, at den slags opdagelser vil accelerere. Han siger, at store forbedringer i genetisk sekventering i de sidste par år nu gør det muligt for forskere at opdage DNA-fejl på det enkelte celleniveau meget hurtigere. For et par år siden plejede det at tage fire laboratoriemedlemmer på McConnells hold to uger at sekventere 300 hjerneceller individuelt. I dag kan et teammedlem, der arbejder alene, udføre enkeltcelle-sekventering på 2.000 celler på tre dage. Det har været en game-changer, siger han.

Men at finde mutationer er ikke det samme som at etablere en årsagssammenhæng mellem dem og sygdom. Mosaikmutationers sporadiske og varierende natur gør det endeligt at forbinde dem med sygdom til en kompliceret opgave. Kolleger har advaret ham mod at jagte vindmøller i en søgen, som McConnell selv beskriver som en lille smule quixotisk.

Ukendt farvand

Søgen efter at forstå, hvordan mosaik-genmutationer kan påvirke psykiatriske sygdomme, strækker sig meget længere tilbage end videnskabsmænds arbejde som McConnell. Han bemærker, at folk for årtier siden fandt mærkelige kromosomafvigelser ved psykiatriske sygdomme, hovedsageligt i blodprøver.

Men hvis du ser på den historie, vil du se, at de, der undersøger mosaikkens rolle i mental sundhed, har haft falske start. En af de tidligste sagsrapporter dukkede op for årtier siden: i foråret 1959 begyndte en 19-årig kvinde i det sydlige England at fjerne papiret fra væggene i sit nyindrettede værelse. En måned senere brændte hun alt sit tøj og stak af til kystbyen Brighton. Hendes utilregnelige adfærd blev intensiveret til det punkt, at hun blev indlagt på et psykiatrisk hospital, hvor lægerne diagnosticerede hende med skizofreni. De undersøgte hendes blod og ledte efter de 46 opviklede kromosombundter inde i hver celle. Det, de fandt, overraskede dem: omkring en femtedel af hendes celler manglede et af de to X-kromosomer, som kvinder normalt bærer. Kvindens læger var usikre på, om hendes mosaicisme var en faktor i hendes psykiatriske lidelse. Der er en håndfuld andre tilfælde af kvinder, der ligesom den britiske patient manglede deres andet X i nogle celler, og som også havde skizofreni. Men sammenhængen forbliver ren spekulation.

Selvom det stadig er for tidligt at sige, hvordan mosaik-genmutationer i hjernen kan påvirke skizofreni, er der en voksende liste over hjernetilstande, hvor mosaik virkelig ser ud til at spille en rolle. For eksempel afslørede en afgørende undersøgelse fra 2012 af Harvard-genetikeren Christopher Walsh og hans kolleger beviser for, at somatiske mutationer var grundårsagen til nogle former for epilepsi.

Relateret historie

Hvorfor føler du dig ensom? Neurovidenskaben begynder at finde svar. En neurovidenskabsmands jagt på ensomhed kan hjælpe os til bedre at forstå omkostningerne ved social isolation.

Måske den største mængde data om genmosaikker - og derfor det mest lovende udviklingsområde - bliver genereret fra undersøgelser af autisme. Forskellige forskningsgrupper, herunder Walsh's, har fundet beviser for, at så mange som 5% af børn med autismespektrumforstyrrelse har potentielt skadelige mosaikmutationer. For nylig, i januar, Walsh – sammen med konsortiummedlemmer som Rusty Gage – udgivet en undersøgelse afdækning af beviser på, at visse typer mutationer opstår mere almindeligt hos mennesker med autisme. De så på postmortem hjerneprøver fra 59 personer med autisme og 15 neurotypiske individer til sammenligning og fandt ud af, at dem i den første gruppe havde et uventet højt antal somatiske mutationer i de genetiske regioner kaldet forstærkere. Disse regioner hjælper med at stimulere produktionen af ​​gener, hvilket fik forskerne til at spekulere i, at mosaikmutationer der kan øge en persons risiko for at udvikle autisme.

Og selvom hjerneceller ikke menes aktivt at dele sig som celler i andre væv, ser de ud til at udvikle sig til mere en genetisk mosaik, efterhånden som vi bliver ældre. I 2018 analyserede holdet ledet af Walsh neuroner taget fra hjernen på 15 personer fra fire måneder til 82 år, såvel som ni personer med lidelser forbundet med for tidlig aldring. De konkluderede, at de somatiske ændringer i DNA, der skaber en mosaik, akkumuleres langsomt men ubønhørligt med alderen i den normale menneskelige hjerne . En ny undersøgelse fra Walshs gruppe, der stadig gennemgår peer review, tyder på, at mens menneskelige neuroner begynder med hundredvis af sådanne mutationer i hvert genom, fortsætter mutationer med at bygge med en hastighed på op til 25 om året for livet. På dette grundlag har han og hans holdkammerater beregnet, at neuroner hos ældre individer indeholder et sted mellem 1.500 og 2.500 mutationer pr. celle. Vi tror, ​​at dette er en vigtig ny måde at se på aldring og almindelige former for neurodegeneration som Alzheimers sygdom, siger Walsh.

Britiske videnskabsmænd, der specifikt leder efter somatiske varianter af gener forbundet med neurodegenerative lidelser som Parkinsons og Alzheimers, antyder, at den gennemsnitlige voksen har 100.000 til 1 mio. hjerneceller med patologisk muterede gener . Det næste trin er at forstå, om og hvordan disse mutationer faktisk har en indflydelse.

At identificere sammenhængen mellem mosaikker i hjernen og forskellige medicinske tilstande handler dog ikke kun om at forklare, hvordan disse sygdomme opstår. Et af de største håb er, at det kan hjælpe med at indlede nye terapeutiske tilgange. Det sker allerede med en tilstand, en ofte ubehandlet form for epilepsi kendt som fokal kortikal dysplasi. Hjernen hos personer med denne lidelse har afslørende pletter af uorganiserede vævslag, og patienter bliver nogle gange opereret for at fjerne disse hjerneområder i håb om at reducere deres anfald.

En undersøgelse offentliggjort i 2018 af forskere ved Korea Advanced Institute of Science and Technology fandt mosaik mutationer i disse unormale hjernepletter, der overstimulerede visse cellesignalveje. Lægemidler, der dæmper denne overaktivitet, kaldet mTOR-hæmmere, er et skud værd , ifølge videnskabsmænd.

Jeg tror, ​​det stort set er ukendt farvande, siger Orrin Devinsky, der leder et pilotforsøg for et lægemiddel til behandling af fokal kortikal dysplasi ved New York University Langone Medical Center. Der er et par områder, hvor vi har gjort reelle fremskridt ... men jeg tror, ​​at jorden knap er blevet rørt med det større felt.

På kanten

Tyve år efter han startede, er Mike McConnell stadig så fascineret som nogensinde af spørgsmålet om, hvordan genetiske mutationer erhvervet efter undfangelse eller fødsel kan forme vores adfærd. Min interesse blev virkelig: Hvad gør outliers? siger han med den californiske tone, som han tog med tilbage til østkysten. Hvad gør to enæggede tvillinger til helt forskellige mennesker?

I al den tid har meget ændret sig. Han er gift og har slået sig ned, han har vundet priser fra folk som US National Academy of Medicine, og han er ikke en nødlidende studerende længere. Han skiftede for nylig kyst igen og flyttede sit laboratorium til Lieber Institute, som er hjemsted for mere end 3.000 hjerner - en af ​​verdens største samlinger .

Og han mener, at vi er på randen af ​​et gennembrud.

Selvom sammenhængen mellem mutationer og mentale tilstande ikke er afgørende, føler videnskabsmænd på området nu, at de har samlet en masse data for at vise, at det at have genetisk forskellige celler bestemt kan påvirke vores helbred. Hjernesomatisk mosaicisme har nået bevis for autisme, epilepsi og hjerneovervækstforstyrrelser, siger McConnell.

Beviserne fortsætter i mellemtiden med at akkumulere, at mange mennesker har betydelig mosaikhjerne. En analyse fra 2018 tyder på, at omkring 1 ud af 100 personer har skadelig mosaik genetisk forskel som påvirker betydelige hjerneområder. Med andre ord har de en sektion af hjerneceller, der har en mutation, der ikke ses i omgivende celler. Men selvom der er stadig mere solide beviser for, at mosaik-genmønstre i hjernen bidrager til epilepsi og autisme, er der endnu ikke nok data til at implicere dem i skizofreni.

McConnell har holdt fast i troen på, at studier af menneskelige hjerner vil afsløre, om en eller anden smag af mosaikmutationer også bidrager til denne sygdom - mutationer, der kunne pege i retning af nye behandlinger. Jeg skal enten have et eureka-øjeblik, eller også er det bare noget, der sker, og der er ikke en klar forbindelse til sygdom, siger han. Han er altid optimist, og han håber på at få succes, hvor andre har fejlet, ved at sortere gennem strømmen af ​​genetiske data, der strømmer ind om de hjerneceller, han analyserer. Hvis der er et signal der, siger han, tror jeg, jeg kommer til at se en antydning af det i det kommende år.

Roxanne Khamsi er videnskabsjournalist baseret i Montreal. Denne historie blev understøttet af et rapporteringstilskud gennem Genetics and Human Agency Journalism Fellowship .

skjule