Het menselijk zenuwstelsel is als een complexe printplaat. Wanneer draden elkaar kruisen of circuits defect raken, aandoeningen zoals schizofrenie of bipolaire stoornis kunnen optreden.

Voor een lange tijd, wetenschappers hebben gewerkt om in te zoomen en te identificeren hoe hersencircuits zich vormen, zodat ze kunnen leren om storende neuronen opnieuw te bedraden.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van Stanford onder leiding van hoogleraar biologie Liqun Luo en hoogleraar bio-engineering en toegepaste fysica Stephen Quake hebben een belangrijke stap in die richting gezet door een gedetailleerde cel-voor-cel genblauwdruk te maken van de reukneuronen van de fruitvlieg. Hun werk is gepubliceerd in Cel .

Het basisidee achter het onderzoek is om de neuronale celtypen van het relatief eenvoudige vliegenbrein te begrijpen, en om de moleculen te identificeren die de precieze bedrading van verschillende soorten neuronen in het vliegenbrein aansturen. Overuren, onderzoekers willen een vergelijkbare benadering gebruiken om de veel complexere cellulaire samenstelling van het menselijk brein te bestuderen, en misschien op een dag zelfs de verkeerde bedrading bij hersenaandoeningen repareren.

Eencellige RNA-sequencing

Terugkomend op de biologie van de middelbare school, onthoud dat cellen DNA en RNA hebben. DNA is de genetische code die de blauwdruk van een heel organisme vertegenwoordigt. De fruitvlieg, een modelorganisme voor de mens omdat het ongeveer 75 procent van onze bekende ziektegenen deelt, heeft ongeveer 15, 000 genen. Natuurlijk, niet alle genen komen altijd tot expressie. Elke individuele cel brengt een specifieke subset van genen tot expressie, die op hun beurt een specifieke set eiwitten maken. Messenger RNA-moleculen dragen de genetische codes om te creëren, of uitdrukken, welke eiwitten dan ook die op enig moment door een specifieke cel nodig kunnen zijn.

De Stanford-onderzoekers richtten zich op cellen in de olfactorische, of ruiken, en het waarnemen van kwadranten van het vliegenbrein. De fruitvlieg is een van de meest bestudeerde organismen in de biologie. Voorafgaand experimenteel onderzoek heeft bewezen dat het reuksysteem van de vlieg een schoon en eenvoudig circuit is, waardoor het de ideale testbank is voor het ontwikkelen van een nieuwe genetische technologie om te onderzoeken hoe hersencircuits zijn aangesloten. Het geurcentrum van het vliegenbrein heeft 50 soorten centrale verwerkingsneuronen die draadachtige filamenten laten groeien om verbinding te maken met 50 soorten sensorische neuronen. Elk verbonden paar neuronen laat de fruitvlieg één groep geuren ruiken, en in combinatie, de fruitvlieg kan de talloze geuren van het fruit in uw keuken detecteren.

Om het volledige repertoire van genen te zien die in deze cellen tot expressie worden gebracht, het Stanford-team gebruikte een methode die door Quake is ontwikkeld en waarmee onderzoekers al het boodschapper-RNA in een cel kunnen sequencen. De single cell sequencing-technologieën die door Quake en zijn medewerkers zijn ontwikkeld, zijn op grote schaal gebruikt en vormen de basis van internationale inspanningen om een ​​uitgebreide atlas van celtypen van mens en muis te ontwikkelen. Maar postdoctoraal wetenschapper Hongjie Li en promovendus Felix Horns hebben het proces aangepast om het te laten werken voor de fruitvlieg. die kleine cellen en een veel kleinere hoeveelheid boodschapper-RNA per cel heeft.

Door Quake's eencellige RNA-sequencing te combineren met Luo's gedetailleerde kennis van het reukcircuit van de fruitvlieg, het team was in staat om de eerste blauwdruk te maken die laat zien hoe specifieke gen / eiwitactiviteit correleert met de biologische bedrading van ten minste één onderdeel van het zenuwstelsel van een organisme.

Een celtype definiëren

uiteindelijk, de onderzoekers willen een blauwdruk maken voor het menselijk zenuwstelsel, maar hun eerste stap moet zijn om de samenstellende cellen van het menselijk brein te identificeren. Dit is bijzonder uitdagend omdat hoewel cellen kunnen worden gedefinieerd door functie, fysiologie, anatomie en genexpressie, onderzoekers hebben het moeilijk gehad om deze eigenschappen te verenigen. Twee cellen kunnen dezelfde functie hebben, maar verschillende fysiologieën. "Mensen waren hoopvol dat eencellige RNA-sequencing dit probleem zou helpen oplossen, maar tot nu toe was het niet gemakkelijk, ' zei Luo.

Het eerst bestuderen van de fruitvlieg heeft geholpen omdat in de afgelopen twee decennia, Luo en zijn lab hebben de functie leren kennen, fysiologie en anatomie van het reuksysteem van het organisme zeer goed. Hoewel onderzoekers nog steeds discussiëren of er 1, 000 of 10, 000 celtypes in het menselijk brein, Luo zei dat we het aantal celtypes in het reuksysteem van de fruitvlieg al kennen. Dat maakte dit eenvoudige organisme tot het ideale testbed om genexpressie te verbinden met de andere stukjes van de celtypepuzzel en een proces te ontwikkelen om uiteindelijk het menselijk brein te bestuderen.

Nieuwe inzichten

Hoewel onderzoekers nog ver verwijderd zijn van dat doel, hun vondst heeft al enkele interessante inzichten opgeleverd in de geest van vliegen. Bijvoorbeeld, de onderzoekers ontdekten dat tijdens de ontwikkeling, wanneer olfactorische neuronen verbindingspartners kiezen, de genexpressie tussen verschillende neuronale typen is verschillend. Maar als fruitvliegjes volwassen worden, genexpressiepatronen van verschillende neuronale typen worden niet te onderscheiden. "Als de hersenen eenmaal zijn aangesloten, de vlieg hoeft niet die genen tot expressie te brengen die hem helpen bij het kiezen van de verbindingspartners, " zei Horns. "Dus er is minder diversiteit in genexpressie in de volwassen vliegen."

Het uiteindelijke doel is om nieuwe en krachtige hulpmiddelen te ontwikkelen voor het begrijpen van de genetische blauwdrukken die het menselijk brein bedraden. “Door deze aanpak verder te ontwikkelen, we hopen op een dag de defecte schakelingen in het menselijk brein te reverse-engineeren en misschien zelfs te repareren, " zei Li, wiens interdisciplinaire werk aan dit project werd ondersteund door het Stanford Neurosciences Institute.