WikiDer > Когнитивная геномика

Cognitive genomics

Когнитивная геномика (или же нейтративная геномика) - подполе геномика относящиеся к когнитивной функции, в которой гены и некодирующие последовательности организм геном связанных со здоровьем и активностью мозг изучаются. Применяя сравнительная геномика, геномы нескольких видов сравниваются, чтобы идентифицировать генетические и фенотипический различия между видами. Наблюдаемые фенотипические характеристики, связанные с неврологической функцией, включают: поведение, личность, нейроанатомия, и невропатология. Теория когнитивной геномики основана на элементах генетика, эволюционная биология, молекулярная биология, когнитивная психология, поведенческая психология, и нейрофизиология.

Интеллект является наиболее изученным поведенческим черта.[1] У человека примерно 70% всех генов экспрессируются в головном мозге.[2] Генетическая изменчивость составляет 40% фенотипической изменчивости.[3] Подходы когнитивной геномики использовались для исследования генетических причин многих психических и психических расстройств. нейродегенеративный расстройства, включая Синдром Дауна, сильное 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 который разделял предков 6-7 миллионов лет назад.[5] Узоры в местных экспрессия гена и сплайсинг 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 наборами видов. Исследования человека плод мозг показывает, 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 эволюционной эволюции связали высший мозговой порядок с латерализация мозга который, хотя и присутствует у других видов, очень упорядочен 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, которые обладают четко определенным функциональным полиморфизмом 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 иметь 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 ген-кандидат и предложенного фенотипа, субъекту часто поручают выполнить задание, которое выявляет поведенческий фенотип при прохождении некоторой формы нейровизуализация. Многие поведенческие задачи, используемые для геномных исследований, представляют собой модифицированные версии классических поведенческих и нейропсихологический тесты, предназначенные для исследования нейронных систем, важных для определенного поведения.[2]

Виды, используемые в сравнительной когнитивной геномике

Люди

В 2003 г. Проект "Геном человека" произвел 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 вскрытие наблюдения.[9] По этическим соображениям, инвазивные in vivo геномические исследования были выполнены на живых людях.[нужна цитата]

Нечеловеческие приматы

Будучи ближайшими генетическими родственниками человека, нечеловеческие приматы являются наиболее предпочтительными объектами визуализации геномики. В большинстве случаев приматы получают изображение под анестезия.[8] Из-за высокой стоимости выращивания и поддержания популяций приматов геномное тестирование приматов, кроме человека, обычно проводится в исследовательских центрах приматов.

Шимпанзе

Шимпанзе (Пан троглодиты) являются ближайшими генетическими родственниками человека, разделяя 93,6% генетического сходства.[10] Считается, что около 7 миллионов лет назад люди и шимпанзе имели общего генетического предка.[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 всего 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] Их часто используют как чужую группу в геномных исследованиях человека / шимпанзе.[8] Примерно 25 миллионов лет назад люди и макаки-резусы имели общего предка.[5]

Обезьяны

Орангутаны (Pongo pygmaeus) и гориллы (Горилла горилла) были использованы в тестировании геномики, но не являются обычными предметами из-за стоимости.[8]

Нейроповеденческие и когнитивные расстройства

Несмотря на то, что иногда сообщается, большинство поведенческих или патологических фенотипов не связаны с одним генная мутация а скорее сложная генетическая основа.[16] Однако из этого правила есть некоторые исключения, такие как болезнь Хантингтона который вызван одним конкретным генетическим заболеванием.[16] На возникновение нейроповеденческих расстройств влияет ряд факторов, как генетических, так и негенетических.

Синдром Дауна

Синдром Дауна - это генетический синдром, отмеченный Интеллектуальная недееспособность и отчетливые черепно-лицевые особенности и встречается примерно у 1 из 800 живорождений.[17] Эксперты считают, что генетическая причина синдрома - отсутствие генов в 21-я хромосома.[17] Однако ген или гены, ответственные за когнитивный фенотип, еще предстоит обнаружить.

Синдром ломкой Х-хромосомы

Синдром ломкой Х-хромосомы вызвано мутацией гена FRAXA, расположенного в Х хромосома.[17] Синдром характеризуется умственной отсталостью (умеренная у мужчин, легкая у женщин), языковым дефицитом и некоторыми аутистический спектр поведение.[17]

Болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера - это нейродегенеративное заболевание, которое вызывает прогрессирующее снижение когнитивных функций в зависимости от возраста.[17] модель животных с использованием мышей исследовали патофизиологию и предложили возможные методы лечения, такие как иммунизация с амилоид бета и периферическое введение антитела против бета-амилоида.[17] Исследования связывают болезнь Альцгеймера с генными изменениями, вызывающими SAMP8. белок аномалии.[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 высоко упорядоченной латерализацией мозга, проявляемой людьми.[4] С аутизмом и расстройствами аутистического спектра (РАС) связаны два гена: c3orf58 (также известный как Deleted In Autism-1 или DIA1) и cXorf36 (также известный как Deleted в Autism-1 Related или DIA1R).[19]

Сильное депрессивное расстройство

Большое депрессивное расстройство - распространенное перепады настроения считается, что это вызвано нерегулярным нейронным захватом серотонин. Хотя генетическая причина неизвестна, геномные исследования посмертного мозга с БДР обнаружили аномалии в мозге. фактор роста фибробластов система, которая поддерживает теорию факторов роста, играющих важную роль в расстройствах настроения.[20]

Другие

Другие нейродегенеративные расстройства включают: Синдром Ретта, Синдром Прадера – Вилли, Синдром ангельмана, и Синдром Вильямса-Бёрена.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ 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. Дои:10.1037/0022-3514.86.1.112. PMID 14717631.
  2. ^ а б c d е ж грамм Харири, Ахмад Р.; Вайнбергер, Дэниел Р. (март 2003 г.). «Визуальная геномика». Британский медицинский бюллетень. 65 (1): 259–270. Дои:10.1093 / bmb / 65.1.259. PMID 12697630.
  3. ^ Пломин, Роберт; Спинат, Фрэнк М. (январь 2004 г.). «Интеллект: генетика, гены и геномика» (PDF). Журнал личности и социальной психологии. 86 (1): 112–129. Дои:10.1037/0022-3514.86.1.112. PMID 14717631.
  4. ^ а б c d е 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. Дои:10.1016 / j.neuron.2010.10.012. ЧВК 2993319. PMID 20955931.
  5. ^ 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.). «Повышенный уровень экспрессии генов отличает мозг человека от нечеловеческого приматов». Труды Национальной академии наук. 100 (22): 13030–13035. Дои:10.1073 / pnas.2135499100. ЧВК 240739. PMID 14557539.
  6. ^ а б Digitale, Эрин (4 июля 2011 г.). «Негенетические факторы играют удивительно большую роль в определении аутизма, - говорится в исследовании, проведенном группой». Стэнфордская школа медицины Стэнфордского университета.
  7. ^ "Вопросы и ответы по проекту" Геном человека ". Национальный институт исследования генома человека.
  8. ^ а б c d е Интервью с Тоддом Преуссом, доктором наук, Национальный исследовательский центр приматов Йеркса[ненадежный источник?]
  9. ^ Behrens, T. E J; Johansen-Berg, H; Вулрич, МВт; Смит, С. М.; Уиллер-Кингшотт, С.А.М .; Boulby, PA; Баркер, Дж. Дж .; Sillery, E L; Шихан, К; Чиккарелли, О; Томпсон, А. Дж .; Брэди, Дж М; Мэтьюз, П. М. (15 июня 2003 г.). «Неинвазивное картирование связей между таламусом и корой головного мозга человека с использованием диффузионной визуализации». Природа Неврология. 6 (7): 750–757. Дои:10.1038 / nn1075. PMID 12808459.
  10. ^ Коэн, Джон (7 июня 2007 г.). «Относительные различия: миф об 1%». Наука. 316 (5833): 1836–1836. Дои:10.1126 / science.316.5833.1836. PMID 17600195.
  11. ^ Олсон, Мейнард В .; Варки, Аджит (январь 2003 г.). «Секвенирование генома шимпанзе: понимание эволюции человека и болезней». Природа Обзоры Генетика. 4 (1): 20–28. Дои:10.1038 / nrg981. PMID 12509750.
  12. ^ 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. Дои:10.1016 / j.tig.2005.06.012. PMID 16009448.
  13. ^ 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. Дои:10.1086/318206. ЧВК 1235277. PMID 11170892.
  14. ^ Глазко, Галина; Veeramachaneni, Vamsi; Ней, Масатоши; Макаловский, Войцех (февраль 2005 г.). «Восемьдесят процентов белков различаются между людьми и шимпанзе». Ген. 346: 215–219. Дои:10.1016 / j.gene.2004.11.003. PMID 15716009.
  15. ^ «Последовательность ДНК макаки резус имеет эволюционное, медицинское значение» (Пресс-релиз). Медицинский колледж Бейлора. 12 апреля 2007 г.
  16. ^ а б Макгаффин, Питер; Райли, Брайен; Пломин, Роберт (16 февраля 2001). «К поведенческой геномике». Наука. 291 (5507): 1232–1249. Дои:10.1126 / science.1057264. PMID 11233447.
  17. ^ а б c d е ж грамм час Фиш, Джин С. (2003). «Генетика и геномика нейроповеденческих расстройств». Генетика и геномика нейроповеденческих расстройств. Humana Press. С. 3–19. Дои:10.1007/978-1-59259-353-8_1. ISBN 978-1-59259-353-8.
  18. ^ 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. Дои:10.1016 / j.exger.2005.05.007. PMID 16026957.
  19. ^ Азиз, Ажари; Harrop, Sean P .; Епископ Наоми Э. (19 января 2011 г.). «Характеристика семейства белков Deleted 1 в аутизме: значение для изучения когнитивных расстройств». PLoS ONE. 6 (1). Дои:10.1371 / journal.pone.0014547. ЧВК 3023760. PMID 21283809.
  20. ^ Никулеску, Александр Б (2005). «Геномные исследования расстройств настроения - мозг как мышца?». Геномная биология. 6 (4): 215. Дои:10.1186 / gb-2005-6-4-215. ЧВК 1088952. PMID 15833130.

внешняя ссылка