Когнитивная геномика (или нейративная геномика ) - это подраздел геномики, относящийся к когнитивным функциям, в котором изучаются гены и некодирующие последовательности генома организма, связанные со здоровьем и активностью мозга . Применяя сравнительную геномику , геномы нескольких видов сравниваются с целью выявления генетических и фенотипических различий между видами. Наблюдаемые фенотипические характеристики, связанные с неврологической функцией, включают поведение , личность , нейроанатомию и невропатологию.. Теория когнитивной геномики основана на элементах генетики , эволюционной биологии , молекулярной биологии , когнитивной психологии , поведенческой психологии и нейрофизиологии .
Интеллект - наиболее изученная поведенческая черта . [1] У человека примерно 70% всех генов экспрессируются в головном мозге. [2] Генетическая изменчивость составляет 40% фенотипической изменчивости. [3] Подходы в когнитивной геномике использовались для исследования генетических причин многих психических и нейродегенеративных расстройств, включая синдром Дауна , большое депрессивное расстройство , аутизм и болезнь Альцгеймера .
Когнитивная геномика
Подходы
Эво-гено
Наиболее часто используемый подход к исследованию генома - это эволюционная геномная биология, или evo-geno, при котором сравниваются геномы двух видов, имеющих общего предка. [4] Распространенным примером evo-geno является сравнительное тестирование когнитивной геномики между людьми и шимпанзе, у которых был общий предок 6-7 миллионов лет назад. [5] Паттерны локальной экспрессии генов и сплайсинга генов исследуются для определения геномной дифференциации. Сравнительный транскриптомный анализ, проведенный на головном мозге приматов для измерения уровней экспрессии генов, показал значительные различия между геномами человека и шимпанзе. [4] Подход evo-geno также использовался для проверки теории о том, что люди и нечеловеческие приматы имеют одинаковые уровни экспрессии генов, связанных с энергетическим метаболизмом, которые имеют значение для старения и нейродегенеративных заболеваний. [4]
Эво-дево
Подход эволюционной биологии развития (evo-DevO) сравнивает когнитивные и нейроанатомические модели развития между группами видов. Исследования мозга зародыша человека показывают, что почти треть экспрессируемых генов дифференцированы по регионам, что намного больше, чем у нечеловеческих видов. [4] Это открытие может потенциально объяснить различия в когнитивном развитии между людьми. Нейроанатомические исследования evo -dev связали высший мозговой порядок с латерализацией мозга, которая, хотя и присутствует у других видов, очень упорядочена у людей.
Эво-фено и эво-пато
Подход эволюционной фенотипической биологии (эво-фенотип) изучает выражение фенотипа между видами. Подход эволюционной патологии и биологии (эво-патология) изучает распространенность болезней между видами.
Визуализация геномики
Выбор гена-кандидата
В геномике ген, отображаемый и анализируемый, называется геном-кандидатом. Идеальные гены-кандидаты для сравнительного геномного тестирования - это гены, несущие четко определенные функциональные полиморфизмы с известным влиянием на нейроанатомические и / или когнитивные функции. [2] Однако достаточно генов с идентифицированными однонуклеотидными полиморфизмами или аллельными вариациями с потенциальными функциональными последствиями для нейроанатомических систем. [2] Чем слабее связь между геном и фенотипом, тем труднее установить причинную связь с помощью тестирования. [2]
Контроль негенетических факторов
Негенетические факторы, такие как возраст, болезнь, травма или злоупотребление психоактивными веществами, могут оказывать значительное влияние на экспрессию генов и фенотипическую изменчивость. [2] Идентификация и вклад генетической изменчивости в конкретные фенотипы могут быть выполнены только тогда, когда другие потенциальные факторы могут быть сопоставлены по группам генотипов. [2] В случае нейровизуализации во время выполнения задачи, такой как фМРТ, группы подбираются по уровню производительности. Негенетические факторы имеют особенно большое потенциальное влияние на когнитивное развитие. В случае аутизма негенетические факторы составляют 62% риска заболевания. [6]
Выбор задачи
Чтобы изучить связь между геном-кандидатом и предполагаемым фенотипом, субъекту часто дают задание, которое выявляет поведенческий фенотип при прохождении какой-либо формы нейровизуализации . Многие поведенческие задачи, используемые для геномных исследований, представляют собой модифицированные версии классических поведенческих и нейропсихологических тестов, предназначенных для исследования нейронных систем, важных для определенного поведения. [2]
Виды, используемые в сравнительной когнитивной геномике
Люди
В 2003 году в рамках проекта «Геном человека» был получен первый полный геном человека. [7] Несмотря на успех проекта, об экспрессии когнитивных генов известно очень мало. [8] До 2003 года любые доказательства связи человеческого мозга основывались на посмертных наблюдениях. [9] По этическим соображениям на живых людях не проводились инвазивные исследования геномики in vivo . [ необходима цитата ]
Нечеловеческие приматы
Будучи ближайшими генетическими родственниками человека, приматы , не являющиеся человеком, являются наиболее предпочтительными объектами для визуализации геномики. В большинстве случаев изображение приматов делается под наркозом . [8] Из-за высокой стоимости выращивания и содержания популяций приматов геномное тестирование приматов, кроме человека, обычно проводится в исследовательских центрах приматов.
Шимпанзе
Шимпанзе ( Pan troglodytes ) - самые близкие генетические родственники человека, имеющие 93,6% генетического сходства. [10] Считается, что люди и шимпанзе имели общего генетического предка около 7 миллионов лет назад. [8] Движение к секвенированию генома шимпанзе началось в 1998 году и было уделено первоочередное внимание Национальным институтам здравоохранения США (NIH). [11]
В настоящее время у человека и шимпанзе есть только секвенированные геномы в расширенном семействе приматов. [12] Некоторые сравнения аутосомных межгенных неповторяющихся сегментов ДНК предполагают лишь 1,24% генетического различия между людьми и шимпанзе на определенных участках. [13] Несмотря на генетическое сходство, 80% белков между двумя видами различаются, что недооценивает явные фенотипические различия. [14]
Макаки резус
Макаки-резус ( Macaca mulatta ) демонстрируют примерно 93% генетического сходства с людьми. [15] Они часто используются как чужая группа в геномных исследованиях человека / шимпанзе. [8] Люди и макаки-резус имели общего предка примерно 25 миллионов лет назад. [5]
Обезьяны
Орангутаны ( Pongo pygmaeus ) и гориллы ( Gorilla gorilla ) использовались в тестировании геномики, но не являются обычными объектами из-за стоимости. [8]
Нейроповеденческие и когнитивные расстройства
Несмотря на то, что иногда сообщается, большинство поведенческих или патологических фенотипов обусловлены не мутацией одного гена, а сложной генетической основой. [16] Однако есть некоторые исключения из этого правила, такие как болезнь Хантингтона, которая вызывается одним конкретным генетическим заболеванием. [16] На возникновение нейроповеденческих расстройств влияет ряд факторов, как генетических, так и негенетических.
Синдром Дауна
Синдром Дауна - это генетический синдром, характеризующийся умственной отсталостью и отчетливыми черепно-лицевыми особенностями, и встречается примерно у 1 из 800 живорождений. [17] Эксперты считают, что генетическая причина синдрома - отсутствие генов в 21-й хромосоме . [17] Однако ген или гены, ответственные за когнитивный фенотип, еще предстоит открыть.
Синдром ломкой Х-хромосомы
Синдром ломкой Х-хромосомы вызван мутацией гена FRAXA, расположенного в Х-хромосоме . [17] Синдром характеризуется умственной отсталостью (умеренной у мужчин, легкой у женщин), языковым дефицитом и некоторыми типами поведения аутистического спектра . [17]
Болезнь Альцгеймера
Болезнь Альцгеймера - это нейродегенеративное заболевание, которое вызывает прогрессирующее снижение когнитивных функций в зависимости от возраста. [17] модели на животных с использованием мышей исследовали патофизиологии и предложить возможные процедуры , такие как иммунизации с бета - амилоида и периферическом введении антител против бета - амилоида. [17] Исследования связывают болезнь Альцгеймера с генными изменениями, вызывающими аномалии белка SAMP8 . [18]
Аутизм
Аутизм - это распространенное расстройство развития, характеризующееся ненормальным социальным развитием, неспособностью сочувствовать и эффективно общаться, а также ограниченными моделями интереса. [17] Возможная нейроанатомическая причина - наличие клубней в височной доле. [17] Как упоминалось ранее, негенетические факторы составляют 62% риска развития аутизма. [6] Аутизм - это заболевание, специфичное для человека. Таким образом, генетическая причина связана с высокоупорядоченной латерализацией мозга, проявляемой людьми. [4] Два гена были связаны с аутизмом и расстройствами аутистического спектра (РАС): c3orf58 (он же Deleted In Autism-1 или DIA1) и cXorf36 (он же Deleted в Autism-1 Related или DIA1R). [19]
Сильное депрессивное расстройство
Большое депрессивное расстройство - это распространенное расстройство настроения, которое, как считается, вызвано нерегулярным нейронным захватом серотонина . Хотя генетическая причина неизвестна, геномные исследования посмертного мозга с БДР обнаружили аномалии в системе факторов роста фибробластов , что подтверждает теорию о факторах роста, играющих важную роль в расстройствах настроения. [20]
Другие
Другие нейродегенеративные расстройства включают синдром Ретта , синдром Прадера-Вилли , Angelman синдром и синдром Уильямса-Beuren .
Смотрите также
- Геномика
- Нейрогенетика
- Сравнительная геномика
- Генетика
- Эволюционная биология
- Молекулярная биология
- Когнитивная психология
- Поведенческая психология
- Нейроанатомия
Рекомендации
- ^ Пломин, Роберт; Спинат, Фрэнк М. (январь 2004 г.). «Интеллект: генетика, гены и геномика». Журнал личности и социальной психологии . 86 (1): 112–129. CiteSeerX 10.1.1.525.3970 . DOI : 10.1037 / 0022-3514.86.1.112 . PMID 14717631 .
- ^ Б с д е е г Харири, Ахмад Р.; Вайнбергер, Дэниел Р. (март 2003 г.). «Визуальная геномика» . Британский медицинский бюллетень . 65 (1): 259–270. DOI : 10.1093 / BMB / 65.1.259 . PMID 12697630 .
- ^ Пломин, Роберт; Спинат, Фрэнк М. (январь 2004 г.). «Интеллект: генетика, гены и геномика» (PDF) . Журнал личности и социальной психологии . 86 (1): 112–129. DOI : 10.1037 / 0022-3514.86.1.112 . PMID 14717631 . Архивировано из оригинального (PDF) 26 июля 2020 года.
- ^ а б в г д Конопка, Женевьева; Гешвинд, Даниэль Х. (21 октября 2010 г.). «Эволюция человеческого мозга: использование эволюции геномики (R) для связи генов, познания и поведения» . Нейрон . 68 (2): 231–244. DOI : 10.1016 / j.neuron.2010.10.012 . PMC 2993319 . PMID 20955931 .
- ^ а б Касерес, Марио; Лачуэр, Джоэл; Запала, Мэтью А .; Редмонд, Джон К .; Кудо, Лили; Geschwind, Daniel H .; Локхарт, Дэвид Дж .; Preuss, Todd M .; Барлоу, Кэрроли (28 октября 2003 г.). «Повышенные уровни экспрессии генов отличают мозг человека от нечеловеческого приматов» . Труды Национальной академии наук . 100 (22): 13030–13035. DOI : 10.1073 / pnas.2135499100 . PMC 240739 . PMID 14557539 .
- ^ а б Digitale, Эрин (4 июля 2011 г.). «Негенетические факторы играют на удивление большую роль в определении аутизма, - говорится в исследовании, проведенном группой» . Стэнфордская школа медицины Стэнфордского университета.
- ^ "Вопросы и ответы по проекту" Геном человека " . Национальный институт исследования генома человека .
- ^ a b c d e Интервью с Тоддом Прейссом, доктором наук, Национальный исследовательский центр приматов Йеркса [ ненадежный источник? ]
- ^ Behrens, TEJ; Johansen-Berg, H; Вулрич, МВт; Смит, С. М.; Уиллер-Кингшотт, САМ; Боулби, Пенсильвания; Баркер, ГДж; Sillery, EL; Шихан, К; Чиккарелли, О; Томпсон, AJ; Брэди, JM; Мэтьюз, PM (15 июня 2003 г.). «Неинвазивное картирование связей между таламусом и корой головного мозга человека с использованием диффузионной визуализации». Природа Неврологии . 6 (7): 750–757. DOI : 10.1038 / nn1075 . PMID 12808459 .
- ^ Коэн, Джон (7 июня 2007 г.). «Относительные различия: миф об 1%». Наука . 316 (5833): 1836–1836. DOI : 10.1126 / science.316.5833.1836 . PMID 17600195 .
- ^ Олсон, Мейнард В .; Варки, Аджит (январь 2003 г.). «Секвенирование генома шимпанзе: понимание эволюции человека и болезней». Природа Обзоры Генетики . 4 (1): 20–28. DOI : 10.1038 / nrg981 . PMID 12509750 .
- ^ Гудман, Моррис; Гроссман, Лоуренс I .; Уайлдман, Дерек Э. (сентябрь 2005 г.). «Перемещение геномики приматов за пределы генома шимпанзе». Тенденции в генетике . 21 (9): 511–517. DOI : 10.1016 / j.tig.2005.06.012 . PMID 16009448 .
- ^ Чен, Фэн-Чи; Ли, Вэнь-Сюн (2001). «Геномные расхождения между людьми и другими гоминоидами и эффективный размер популяции общего предка людей и шимпанзе» . Американский журнал генетики человека . 68 (2): 444–456. CiteSeerX 10.1.1.329.720 . DOI : 10.1086 / 318206 . PMC 1235277 . PMID 11170892 .
- ^ Глазко, Галина; Верамачанени, Вамси; Ней, Масатоши; Макаловский, Войцех (февраль 2005 г.). «Восемьдесят процентов белков различаются между людьми и шимпанзе». Джин . 346 : 215–219. DOI : 10.1016 / j.gene.2004.11.003 . PMID 15716009 .
- ^ «Последовательность ДНК макаки резус имеет эволюционное, медицинское значение» (пресс-релиз). Медицинский колледж Бейлора. 12 апреля 2007 г.
- ^ а б Макгаффин, Питер; Райли, Брайен; Пломин, Роберт (16 февраля 2001). «К поведенческой геномике». Наука . 291 (5507): 1232–1249. DOI : 10.1126 / science.1057264 . PMID 11233447 .
- ^ Б с д е е г ч Фиш, Джин С. (2003). «Генетика и геномика нейроповеденческих расстройств» . Генетика и геномика нейроповеденческих расстройств . Humana Press. С. 3–19. DOI : 10.1007 / 978-1-59259-353-8_1 . ISBN 978-1-59259-353-8.
- ^ Баттерфилд, Д; Пун, H (октябрь 2005 г.). «Мышь с ускоренным старением (SAMP8): модель возрастного когнитивного снижения, имеющая отношение к изменениям экспрессии генов и белковым аномалиям при болезни Альцгеймера». Экспериментальная геронтология . 40 (10): 774–783. CiteSeerX 10.1.1.313.4638 . DOI : 10.1016 / j.exger.2005.05.007 . PMID 16026957 .
- ^ Азиз, Ажари; Харроп, Шон П .; Епископ Наоми Э. (19 января 2011 г.). «Характеристика семейства белков Deleted в аутизме 1: значение для изучения когнитивных расстройств» . PLoS ONE . 6 (1). DOI : 10.1371 / journal.pone.0014547 . PMC 3023760 . PMID 21283809 .
- ^ Никулеску, Александр Б (2005). «Геномные исследования расстройств настроения - мозг как мышца?» . Геномная биология . 6 (4): 215. DOI : 10,1186 / GB-2005-6-4-215 . PMC 1088952 . PMID 15833130 .
Внешние ссылки
- http://www.yerkes.emory.edu/
- http://www.neuroscience.ox.ac.uk/