Μέρος 3: Διακεκριμένες γενετικές υπογραφές φλοιικών και υποφλοιωδών περιοχών που σχετίζονται με την ανθρώπινη μνήμη

Επικοινωνία: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Email:audrey.hu@wecistanche.com

Κάντε κλικ εδώ για το μέρος 2

Αξιολόγηση απόδοσης του πλαισίου

Εάν η προσέγγισή μας χωρίς επίβλεψη είναι έγκυρη, για τομνήμηανάλυση αναμένουμε ότι τα γονίδια μνήμης θα πρέπει να έχουν υψηλότερη τιμή συσχέτισης από τομνήμηανάλυση σε σύγκριση με την ανάλυση κινητήρα (δηλαδή, έλεγχος λογικής· Εικ. 1G, 6). Επιπλέον, στα κορυφαία-10 γονίδια μνήμης, αναμένουμε μεγαλύτερο αριθμό γονιδίωνμνήμηγονίδια στην ανάλυση μνήμης από ό,τι αναμενόταν τυχαία (δηλαδή, στατιστική σημασία, Πίνακες 5,6) και ότι βρίσκουμε περισσότεραμνήμηγονίδια παρά γονίδια κινητικής λειτουργίας (δηλ., ακρίβεια μεθόδου, Εικ. 7).

Σχήμα 6. Διαφορές τιμών συσχέτισης bootstrapped για όλα τα φλοιώδη και υποφλοιώδη υποψήφια γονίδια τουμνήμηκαι κινητική ανάλυση. Για ένα δεδομένο γονίδιο μνήμης, υπολογίσαμε τη διαφορά μεταξύ των τιμών r της ανάλυσης μνήμης και κινητήρα αφαιρώντας το r κινητήρα από τη μνήμη r. Αν τομνήμηΤο r ήταν αρνητικό, πήραμε το αρνητικό της διαφοράς (για να πάρουμε μια θετική τιμή). Αντίστροφα για τα κινητικά γονίδια. Για κάθε γνωστική λειτουργία, υποδείξαμε τον αριθμό των γονιδίων που χρησιμοποιήθηκαν στον χαμηλότερο αριθμό για τον υπολογισμό της μέσης διαφοράς εκκίνησης (231μνήμηγονίδια και 146 κινητικά γονίδια, αντίστοιχα, 10,000 επαναλήψεις). Εάν το 95ο εκατοστημόριο δεν επικαλύπτεται με τη βασική γραμμή του μηδέν, η διαφορά του bootstrapped θεωρείται σημαντική (p 0.05). Σημειώστε ότι για την ανάλυση του κινητικού φλοιού, κανένα αρνητικά συσχετιζόμενο γονίδιο δεν επέζησε του κατωφλίου και επομένως δεν εμφανίζεται εδώ λίστα γονιδίων κινητικού φλοιού (–). Δείτε το Εκτεταμένο Σχήμα Δεδομένων 6-1 για την πλήρη λίστα των διαφορών τιμών συσχέτισης για γονίδια που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση bootstrap. δηλώνει p 0,05.

Χρησιμοποιώντας τις τιμές συσχέτισης των υποψηφίων γονιδίων, δείχνουμε ότι τομνήμηγονίδια εμφάνισαν σημαντική θετική διαφορά μεταξύμνήμητιμή ανάλυσης r και τιμή r-τιμής ανάλυσης κινητήρα, καθώς το 95ο εκατοστημόριο (μουστάκια) δεν επικαλύπτεται με το μηδέν (Εικ. 6, όλες οι τιμές συσχέτισης γονιδίων που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση bootstrap στο Εκτεταμένα Δεδομένα Σχήμα 6-1). Ως εκ τούτου, η προσέγγισή μας αποδίδει όπως αναμένεται.

Βρήκαμε ότι η μέθοδος ήταν εξαιρετικά αποτελεσματική. Για όλαμνήμηλίστες γονιδίων του φλοιού και του υποφλοιώδους, η πιθανότητα απόκτησης του αριθμού των γονιδίων μνήμης που παρατηρήθηκαν ήταν σημαντικά μεγαλύτερη από την πιθανότητα (Πίνακας 5, πλήρης λίστα γονιδίων που σχετίζονται με τη μνήμη και τη λειτουργία του κινητήρα που αποτελούν την πιθανότητα πιθανότητας στον Εκτεταμένο Πίνακα Δεδομένων 5-1) . Ομοίως, για όλους τους καταλόγους κινητικών γονιδίων του φλοιού και του υποφλοιού, η πιθανότητα εξαγωγής του αριθμού των κινητικών γονιδίων που παρατηρήθηκαν ήταν επίσης πολύ σημαντική.

Χρησιμοποιώντας τις υποτιθέμενες γονιδιακές συναρτήσεις που συνάγονται από την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας, διαπιστώσαμε επίσης ότι η μέθοδος είχε υψηλή ακρίβεια, καθώς η διαφορά στις βαθμολογίες ακρίβειας της λίστας κορυφαίων-10 υποψηφίων γονιδίων είναι μη αρνητική [εκτός από τον κινητικό υποφλοιό (–) , Εικ. 7; υπολογισμός τιμών ακριβείας στα Εκτεταμένα Δεδομένα Εικ. 7-1]. Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η μέθοδος είναι έγκυρη και συγκεκριμένη για την αναγνώριση γονιδίων που σχετίζονται μεμνήμηκαι κινητική λειτουργία.

Το Cistanche μπορεί να βελτιώσει τη μνήμη

Συζήτηση

Συνολικά, τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι οι φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές εμπλέκονται στον άνθρωπομνήμηδιαθέτουν διακριτές γενετικές υπογραφές. Αυτές οι γενετικές υπογραφές συμφωνούν με προηγούμενες έρευνες σε ζωικά μοντέλα μνήμης και δεν μπορούσαν να διαχωριστούν από τον έλεγχο της κινητικής λειτουργίας. Έτσι, δείχνουμε ότι οι ισχυρές ομοιότητες μεταξύ των χωρικών προτύπων της μεταγραφής του ανθρώπινου εγκεφάλου και του λειτουργικού χάρτη νευροαπεικόνισης της μνήμης μπορούν να αξιοποιηθούν για να τονιστούν υποψήφιες βιολογικές διεργασίες και γονίδια που σχετίζονται με τον άνθρωπομνήμηγια μελλοντικές πειραματικές έρευνες. Αυτό μπορεί να συμβάλει στη γνώση μας για τις λειτουργικές διαφορές των περιοχών του φλοιού και του υποφλοιού στην υγιή λειτουργία της ανθρώπινης μνήμης καιμνήμηδιαταραχές.

Προς το παρόν, άνθρωποςμνήμηΤα στοιχεία γενικά προέρχονται από δημοφιλείς μη επεμβατικές μεθόδους όπως το GWAS (Well-com Trust Case Control Consortium, 2007), το οποίο προσδιορίζει τους δεσμούς μεταξύ των παραλλαγών των γονιδίων και της γνώσης (Heck et al., 2014). Ωστόσο, το GWAS αγνοεί τη χωρικά κατανεμημένη γονιδιακή έκφραση στον εγκέφαλο αναλύοντας μόνο παραλλαγές γονιδίων σχετικά με τον εγκέφαλο ή μέτρα συμπεριφοράς (Hawrylycz et al., 2012; Mahfouz et al., 2017). Η προσέγγισή μας βασίζεται στο χωρικό μοτίβο της γονιδιακής έκφρασης και προσδιορίζει γενετικά προφίλ που σχετίζονται με τον άνθρωπομνήμη. Κυρίως, η προσέγγισή μας χωρίς επίβλεψη είναι ευέλικτη, καθώς μπορεί να αποκαλύψει πρωτοφανείς γνώσεις για οποιαδήποτε ανθρώπινη γνωστική λειτουργία ενδιαφέροντος, π.χ. τη λήψη αποφάσεων. Αυτή η εικόνα μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στην περίπτωση κλινικά σχετικών λειτουργιών, αλλά με γενετική βάση που είναι λιγότερο κατανοητή, π.χ. προσοχή (ΔΕΠΥ) και γλώσσα (δυσλεξία).

Να προσδιορίσει το γενικό ανθρώπινομνήμηγονίδια που λειτουργούν σε όλο τον εγκέφαλο, συγκρίναμε τις διαφορές και την επικάλυψη μεταξύ των γονιδίων μνήμης του φλοιού και του υποφλοιού (Εικ. 1). Ιδιαίτερα, αυτή η σύγκριση επικάλυψης υποστηρίζεται από την ύπαρξη γονιδίων που υποκρύπτονταιμνήμηλειτουργούν συνολικά, όπως στην περίπτωση των νευρωνικά εκφραζόμενων άμεσων πρώιμων γονιδίων (IEGs) που εμπλέκονται στη λειτουργία της μνήμης (Gallo et al., 2018). Τα IEG είναι μια ευρεία κατηγορία γονιδίων που εκφράζονται με γρήγορο, παροδικό τρόπο ως απόκριση σε μια πληθώρα κυτταρικών ερεθισμάτων. Από τα IEG ειδικά για νευρώνες, το c-fos, το Egr1 και το τόξο συνδέονται ευρέως με διάφορες πτυχέςμνήμητόσο στις φλοιώδεις όσο και στις υποφλοιώδεις περιοχές. Για παράδειγμα, ο αποκλεισμός του c-Fos του ιππόκαμπου επηρέασε αρνητικά τη χωρική μακροπρόθεσμη μνήμη (Kemp et al., 2013) και ο αποκλεισμός του είτε στον ιππόκαμπο είτε στον οπισθοπληνιακό φλοιό προκάλεσε ελλείμματα στην εδραίωση της μνήμης φόβου (Katche et al., 2010· Katche and Medina, 2017). Τέτοια γονίδια σχετίζονται με διαφορετικούς υποτύπους μνήμης τόσο στις φλοιώδεις όσο και στις υποφλοιώδεις περιοχές, τις οποίες ονομάζουμε γενικά ολόκληρου του εγκεφάλουμνήμηγονίδια.

Αν υπάρχουν τέτοια γενικάμνήμηγονίδια των οποίων η λειτουργία σεμνήμηεκτείνεται σε ολόκληρο τον εγκέφαλο, τόσο οι φλοιώδεις όσο και οι υποφλοιώδεις αναλύσεις θα πρέπει να δείχνουν αλληλεπικαλυπτόμενα γονίδια. Βρήκαμε ότι οι φλοιώδεις και υποφλοιώδεις περιοχές διαθέτουν σε μεγάλο βαθμό διακριτά γενετικά προφίλ, όπως προσδιορίζονται από τη γονιδιακή λειτουργική χωρική συσχέτιση (Εικ. 5). Δεν υπήρχε αλληλεπικάλυψη στα γονίδια της κορυφαίας-10 φλοιώδους και υποφλοιώδους μνήμης, με κάποια επικάλυψη γιαμνήμηγονίδια (9,6 τοις εκατό από 1397 γονίδια) και σύνολα γονιδίων βιολογικής διεργασίας (2,5 τοις εκατό από 118 σύνολα γονιδίων).

Σε επίπεδο βιολογικής διεργασίας, βρήκαμε διαφορές στο φλοιώδες και στο υποφλοιώδεςμνήμη. Στον φλοιό, τα προσδιορισμένα σύνολα γονιδίων περιελάμβαναν επιγενετική ρύθμιση και ανοσολογική σηματοδότηση. Η τελευταία έλαβε πρόσφατο ενδιαφέρον ως κεντρικός παράγοντας για την εμφάνιση και την εξέλιξη της άνοιας (Litteljohn et al., 2014; Kim and Kaang, 2017; Hammond et al., 2019). Στον υποφλοιό, τα αναγνωρισμένα γονίδια εμπλέκονται στη νευρογένεση και τη διαφοροποίηση των νευρογλοιακών κυττάρων. Επιπλέον, εντοπίσαμε σύνολα γονιδίων με μια λιγότερο κατανοητή σχέσημνήμηεπισης. Για παράδειγμα, πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι τα αστροκύτταρα και τα ολιγοδενδροκύτταρα εμπλέκονται στη σύνδεση της ομοιόστασης και της μυελίνωσης του καλίου που προκαλείται από γλοίες με ελλείμματα μνήμης (Hertz and Chen, 2016; Pepper et al., 2018). Δεν είναι ακόμη σαφές πώς τα μυελινοποιητικά ολιγοδενδροκύτταρα μπορούν να επιτρέψουν την πλαστικότητα στη μνήμη (Pepper et al., 2018). Η εργασία μας προτείνει ότι η διαφοροποίηση των νευρογλοιακών κυττάρων μπορεί να παίζει συμπληρωματικό ρόλο στη λειτουργία της μνήμης και θα πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω για μια ολοκληρωμένη κατανόηση της κυτταρικής συνεισφοράς στη μνήμη. Συνολικά, αυτό μπορεί να υποδηλώνει εγγενείς διαφορές στις βιολογικές διεργασίες που υποστηρίζουν τις περιοχές της φλοιώδους και υποφλοιώδους μνήμης. Η μελλοντική εργασία μπορεί να εξετάσει την αλληλεπίδραση αυτών των διεργασιών και να αποσαφηνίσει τη διαφορική συνεισφορά τους στη λειτουργία της φλοιώδους και υποφλοιώδους μνήμης.

Σε επίπεδο γονιδίου, εμπλουτισμένα γονίδια για φλοιώδη και υποφλοιώδημνήμηήταν εξίσου διακριτές. Από τα εμπλουτισμένα γονίδια που σχετίζονται με τις παραπάνω βιολογικές διεργασίες (στα σύνολα S και S-), ένα μικρό ποσοστό γονιδίων (9,6 τοις εκατό ή 135 γονίδια) μοιράστηκαν μεταξύ φλοιώδους και υποφλοιώδους περιοχής (Εικ. 5). Αυτά τα γονίδια σχετίζονται με το σύμπλεγμα Arp2/3, τους διαύλους ιόντων που καλύπτονται από συνδετήρα GABA και AMPA και τον εντοπισμό πρωτεΐνης που εξαρτάται από SRP στη μεμβράνη. Το σύμπλεγμα Arp2/3 είναι απαραίτητο για την ωρίμανση των δενδριτικών σπονδύλων, οι υποδοχείς AMPA του ιππόκαμπου και του εξωιππόκαμπου εμπλέκονται στα διεγερτικά ιόντα κανάλια στη μνήμη και οι υπομονάδες του υποδοχέα GABA αποτελούν μέρος των ανασταλτικών διαύλων ιόντων στη λειτουργία μνήμης (Collinson et al., 2002 Freudenberg et al., 2016, Spence et al., 2016). Ως εκ τούτου, αυτό ανακεφαλαιώνει τη γνωστή βιβλιογραφία και υποδηλώνει βασικές απαιτήσεις για τη γενική λειτουργία της μνήμης. Συνολικά, αυτό μπορεί να υποδηλώνει διαφορές που οφείλονται σε μεγάλες φλοιο-υποφλοιώδεις διαφορές στα μεταγραφικά προφίλ και στη λειτουργία στην υγιή λειτουργία μνήμης και νόσο (Huber et al., 1986· Salmon and Filoteo, 2007). Η μελλοντική εργασία μπορεί να εξετάσει πώς η σύγκλιση και η απόκλιση μεταξύ των γενετικών προφίλ του φλοιού και του υποφλοιώδους φλοιού και πώς αυτά επιτρέπουν λειτουργίες ειδικές για το φλοιόμνήμη.

Επιπλέον, η προσέγγισή μας εντοπίστηκε επίσηςμνήμη-συσχετίζονται γονίδια με ελάχιστα κατανοητές σχέσεις μεμνήμη. Για παράδειγμα, το γονίδιο MIS18BP1 αναγνωρίστηκε στον υποφλοιόμνήμηγονίδια (Εκτεταμένος πίνακας δεδομένων 2-1). Αυτό το γονίδιο απαιτείται για τη στρατολόγηση πρωτεϊνών κεντρομερών σε κεντρομερή και επιτρέπει τον φυσιολογικό διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια της μίτωσης (Moree et al., 2011). Δεν είναι σαφές εάν τέτοια γονίδια κυτταρικής διαίρεσης παίζουν ρόλο στη μνήμη σε όλες τις υποφλοιώδεις περιοχές. Ωστόσο, το γονίδιο έχει συνδεθεί με τη νευρογένεση του ιππόκαμπου, η οποία είναι κρίσιμη για τη λειτουργία του ιππόκαμπου στη μνήμη (Shin et al., 2015; Gonçalves et al., 2016). Τέτοια λιγότερο γνωστά γονίδια αποτελούν μια κρίσιμη συμβολή του πλαισίου μας, καθώς η άμεση σύνδεσή τους με τη μνήμη δεν έχει ακόμη εδραιωθεί και θα πρέπει να εξεταστεί σε μελλοντική έρευνα.

Οι αναλύσεις μας για τη γονιδιακή έκφραση και τους χάρτες νευροαπεικόνισης δεν είναι χωρίς περιορισμούς. Αυτά περιλαμβάνουν το περιορισμένο μέγεθος δείγματος, την εγκυρότητα μιας προσέγγισης που μοιάζει με εξόρυξη κειμένου με τη βιβλιοθήκη GSEA και Gene Ontology και τη χωρική ανάλυση του AHBA. Πρώτον, το περιορισμένο μέγεθος δείγματος δότη και η μειωμένη κάλυψη του γονιδιώματος μετά την προεπεξεργασία μπορεί να συμβάλλουν στη μειωμένη ισχύ, αλλά όχι στη στατιστική ακρίβεια, της προσέγγισής μας. Αν και η μελλοντική αύξηση του μεγέθους του δείγματος μπορεί να εντοπίσει περισσότερα γονίδια χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, διαπιστώσαμε ότι τα τρέχοντα αποτελέσματα είναι ισχυρά, καθώς τα αποτελέσματά μας είναι σημαντικά καλύτερα από τα τυχαία (δηλαδή, στατιστική σημασία). Επιπλέον, τα αναγνωρισμένα γονίδια ήταν ειδικά για τη μνήμη, όπως αποδεικνύεται από την ακρίβεια του πλαισίου μας. Δεύτερον, η GSEA χρησιμοποιεί τη βιβλιοθήκη Gene Ontology για να αναγνωρίσει εμπλουτισμένα σύνολα γονιδίων και συσχετίζει αυτά τα εμπλουτισμένα γονίδια με τους οντολογικούς όρους της βιβλιοθήκης, π.χ. συναπτική πλαστικότητα. Παραδεχόμαστε ότι η βιβλιοθήκη Gene Ontology επεκτείνεται συνεχώς με προσπάθειες χειροκίνητης επιμέλειας, και επομένως είναι ευάλωτη στο να ξεπεραστεί από τον κατακλυσμό των πρόσφατων πειραματικών ευρημάτων (Baumgartner et al., 2007; Dutkowski et al., 2013; Gaudet and Dessi-Moz , 2017). Ως εκ τούτου, είναι πιθανό η βάση δεδομένων να είναι ελλιπής και να μην αντικατοπτρίζει όλες τις βιολογικές λειτουργίες που σχετίζονται με κάθε γονίδιο. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ψευδώς αρνητικά, όπου χάνουμε γονίδια που πρέπει να θεωρούνται εμπλουτισμένα. Ωστόσο, η προσέγγισή μας επιδεικνύει υψηλή αποτελεσματικότητα (όπως φαίνεται στην κορυφή-10μνήμηκαι γονίδια κινητικής λειτουργίας) και τα αποτελέσματα είναι σε συμφωνία με τη γνωστή πειραματική βιβλιογραφία ανεξάρτητη από βιβλιοθήκες οντολογίας. Επιπλέον, οι μη εποπτευόμενες μέθοδοι ταυτοποίησης υποψήφιων γονιδίων απαιτούν πάντα χειροκίνητη επιμέλεια και επιλογή αυτών των γονιδίων για περαιτέρω διερεύνηση. Τρίτον, αυτή η προσέγγιση περιορίζεται επίσης από τη χωρική ανάλυση του μεταγραφώματος του ανθρώπινου εγκεφάλου. Παρά το γεγονός ότι είναι ο πιο κατάλληλος ανθρώπινος μεταγραφικός άτλαντας με ολόκληρο το γονιδίωμα και την υψηλής ανάλυσης κάλυψη ολόκληρου του εγκεφάλου, ο χάρτης AHBA εξακολουθεί να έχει χαμηλότερη ανάλυση σε σύγκριση με τους λειτουργικούς χάρτες απεικόνισης, ειδικά στον φλοιό (Hawrylycz et al., 2011). Ως εκ τούτου, αναμένουμε ότι η ακρίβεια και η στατιστική ισχύς της προσέγγισής μας θα αυξηθούν καθώς αυξάνεται η χωρική ανάλυση και το μέγεθος του δείγματος της βάσης δεδομένων AHBA. Επιπλέον, καθώς η μετάφραση του γονιδιακού mRNA σε ένα λειτουργικό προϊόν υπόκειται σε ρύθμιση, τα πρωτεώματα του εγκεφάλου του δότη μπορεί να είναι συμπληρωματικά στον εντοπισμό γονιδίων που συνδέονται μεμνήμη(Lubec et al., 2003; Park et al., 2006; Sjöstedt et al., 2015).

συμπέρασμα

Εδώ, χρησιμοποιώντας τον μεταγραφικό άτλαντα εγκεφάλου του Ινστιτούτου Allen και τους χάρτες νευροαπεικόνισης Neurosynth, αποδεικνύουμε ότι το φλοιώδες και το υποφλοιώδεςμνήμηπεριοχές έχουν διακριτές γενετικές υπογραφές. Αυτές οι γενετικές υπογραφές παρέχουν νέες βιολογικές διεργασίες και μοριακούς στόχους για την κατανόηση της λειτουργίας της ανθρώπινης μνήμης. Κυρίως, ελπίζουμε ότι η προσέγγισή μας χωρίς επίβλεψη και χωρικά καθοδηγούμενη μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να κατευθύνουν τους ερευνητές προς τα παραγωγικά γονίδια και τα υποψήφια βιολογικής διαδικασίας για να κατανοήσουν πόσο περίπλοκες γνωστικές λειτουργίες όπως π.χ.μνήμημπορεί να ενεργοποιηθεί από τα μοριακά συστατικά του εγκεφάλου.