Hluti 2: Aðgreindar erfðafræðilegar undirskriftir á heilaberki og undirbarkasvæðum sem tengjast minni manna
Mar 21, 2022
Tengiliður: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Netfang:audrey.hu@wecistanche.com
Vinsamlegast smelltu hér til að hluta 1
Vinsamlegast smelltu hér til að hluta 3
Bókmenntaskoðun á erfðafræðilegum undirskriftum
Til að mæla fjölda umsækjenda gena "hits" fyrirminnigreiningu, gerðum við ritrýni fyrir hvern genalista CL og töldum fjölda gena-minni(þ.e. sannar jákvæðar) eða tengsl genahreyfinga (þ.e. rangar jákvæðar; mynd 1F). Þetta var gert með því að skoða tilraunabókmenntir um Google Fræðasetur með leitarfyrirspurn: ["genarnafn" AND ("minni" OR "minnisleysi" EÐA "Alzheimer" OR "vitglöp")] og ["genarnafn" OG ("mótor" virka" EÐA "hreyfingasamhæfing" EÐA "hreyfing" EÐA "ataxia" EÐA "hreyfinám" EÐA "Parkinson" EÐA "Huntington's")], í sömu röð. Sama var endurtekið fyrir hreyfigreiningu fyrir viðkomandi sanna jákvæða og ranga jákvæða. Truflanirnar voru valdar fyrir leitarorðaleit vegna þess að þær sýna áberandi annmarka á minni og hreyfivirkni. Sterkar vísbendingar innihéldu rannsóknir sem notuðu genabreytingar in vivo, stökkbreyttar og lyfjafræðilegar inngrip, en veikar sönnunargögn voru meðal annars reiknuð genasambönd, in vitro rannsóknir, mismunandi genatjáningarrannsóknir og tilviksrannsóknir á mönnum. Sönnunargögn úr bókmenntum töldust aðeins til staðfestingar ef þær tengdu samsvarandi heilasvæði, þ.e. cortical eða subcortical. Sem slík voru vísbendingar um hlutverk tiltekins gena eingöngu á ógreindu heilasvæði ekki taldar. Til dæmis, ef ritgerð sýndi að útsláttur á geni A eingöngu í undirberki leiði til minnisskorts, myndi það ekki teljast sem sönnunargögn fyrir greiningu á heilaminni.
Fylgnimunur í minni og hreyfigreiningum
Ef aðferðin er gild ættu minnisgen að hafa hærra meðalfylgnigildi fráminnigreining samanborið við hreyfigreiningu og öfugt fyrir hreyfigen og hreyfigreiningu r gildi. Fyrir hvert gen var þetta reiknað út með því að draga hreyfivirkni r gildi þess frá minni r gildi, með jákvæðum mismun sem telst til skilvirkni aðferðarinnar (mynd 1G). Athugaðu að fyrir minni r gildin úr neikvæðu genalistunum (td minnisberki -), margföldum við r-gildismuninn með –1 til að tjá þennan mun sem jákvætt gildi, í samræmi við jákvæða minnisgenalistana. Við tökum síðan meðaltal allra gena fyrir hvert mengi S sem fullnægir FDR q 0.05 (sami þröskuldur og auðgunarkortssýn) til að fá sjö slík gildi. Þar sem fjöldi gena í mengi S er mismunandi, settum við fjölda fylgnimismunsgilda sem notuð eru til að reikna út meðalgildi fylgnimismuns á hvert sett. Þetta var gert sérstaklega fyrir minnis- og hreyfigreininguna með því að taka endurtekið undirsýni úr fylgnimun (10,000 endurtekningar) við lágmarksfjölda gena í minni (n 231) og hreyfisett (n 146), í sömu röð. Við sáum þetta fyrir okkur sem kassaplott fyrir hvert settanna sjö, með stígvélabundnu meðaltalinu og 95. hundraðshluta (whiskers) fyrir minni og hreyfigreiningu. Ef grunnlínan fellur ekki innan 95. hundraðshluta dreifingarinnar (þ.e. hárhönd skarast ekki við grunnlínuna núll) er stigið talið verulega frábrugðið grunnlínu (p 0,05).
Mat á skilvirkni aðferða við að greina kandídata gen
Við magngreindum skilvirkni aðferðarinnar byggt á fyrri endurskoðun bókmennta (mynd 1G). Til að gera það reiknuðum við líkurnar á því að fá Nminnigen á genalista. Þetta er gert með því að velja Nminnigen (án endurnýjunar) úr safni þekkts minnis eðaminni-tengd röskun gen (n 644) af öllum 15.625 genum sem voru greind. Til dæmis, ef 10 af 10 genum í genalistanum eru minnisgen, eru líkurnar á því að þetta gerist 1.32 10 14. Sama var gert í samræmi við það fyrir hreyfivirkni og hreyfigenin (n 104). Þessarminnigen voru tekin saman úr þremur heimildum: (1) bókmenntarýni hér að ofan; (2) líffræðilega virkni genasettin „GO:0007611 Nám eða minni,“ úr gagnagrunninum AmiGO2 (Carbon et al., 2009; útgáfa 2.4.26, útgáfudagur 2016-08); og (3)van Cauwenberghe o.fl. (2016). Hreyfitengdu genin (hreyfingar- eða hreyfitengd röskun) voru fengin úr (1) bókmenntarannsókninni hér að ofan, (2) genasettunum fyrir líffræðilega virkni "GO: 0061743 hreyfinám" og "GO:0061744 hreyfihegðun" úr gagnagrunninum AmiGO2 (Carbon o.fl., 2009) og (3) Lin og Farrer (2014).
Nákvæmniskor fyrir minnis- og hreyfigreiningar
Við spurðum, af gefnuminnigenalisti með genum merktum semminnigenum, hversu mörg þessara eru í raun skyldminni. Við töluðum þetta með því að reikna út nákvæmniskor (mynd 1G). Við ákváðum fyrst hið sanna jákvæða (þ.e. gen tengd minni úr ritrýni) og rangt jákvætt (þ.e. gen sem tengjast hreyfivirkni). Sönnunargögn bókmennta voru vegin þannig að fyrir sannar jákvæðar, sterkar vísbendingar og veikar sönnunargögn (skilgreind hér að ofan) fengu fullt stig og hálft stig í sömu röð. Fyrir hvern genalista ákváðum við síðan nákvæmniskor aðferðarinnar með því að deila „sanna jákvætt“ með summu sannra jákvæðra og rangra jákvæðra (Eqs. 1,2). Ef aðferðin er nákvæm, fyrir minnisgreiningar, ættu minnisnákvæmniskor að vera yfir 0.5 og hreyfiskor undir 0.5, og öfugt. Við teiknuðum upp minnis- og hreyfinákvæmniskor fyrir hvern genalista (á bilinu 0 til 1), og muninn á þessum stigum (á bilinu –1 til 1). Helst ætti munurinn að vera meiri en núll. Í eftirfarandi jöfnum, Minningar fjöldi gena með sterkar vísbendingar um tengsl þess við minni; Minnifjöldi gena með veikar sannanir fyrir tengslum þess við minni; Mótor fjöldi gena með sterkar vísbendingar um tengsl þess við hreyfivirkni; og Motorw fjöldi gena með veikar sannanir fyrir tengslum þess við hreyfivirkni.
Yfirlýsing um framboð gagna
Öll erfða- og taugamyndatökugögn sem notuð eru eru fáanleg frá AHBA (https://human.brain-map.org) og Neu-rosynth (https://www.neurosynth.org). Forskriftirnar til að forvinna transcriptome eru fáanlegar á https://github.com/BMHLab/AHBAprocessing. Fylgniforskriftirnar og inntaksgögnin eru fáanleg til notkunar sem ekki er í viðskiptalegum tilgangi í Extended Data 1og á https://github.com/PK-HQ/ geneCognitionDiscovery.
Niðurstöður
AHBA og Neurosynth kort
Til að bera kennsl á fullorðinn mann í heila heilaminnigenum, þurftum við fyrst að framkvæma staðbundna fylgnigreiningu milli þrívíddar háupplausnar taugamyndagerðar og umritakorta af fullorðinsheila. Sem slík notuðum við AHBA umritið með miklum þéttleika, heila heilans og Neurosynthminnitengslakort af tengslum hvers voxel við minni almennt sem inntaksgagnasett (Yarkoni o.fl., 2011).
AHBA var fengin úr sex gjafaheilum og inniheldur heila genatjáningu manna í heila heila á vinstra heilaberkis- og undirbarkasvæðum (N 6; mynd 1A; sjá dæmi um sjónmynd í útvíkkuðum gögnum mynd 1-1; Hawrylycz o.fl. , 2012). Neurosynthinnminnifélagskort er meta-rannsóknarkort (N 2744) sem sýnir mikilvægi hvers heilavoxels fyrirminni(öfugt við aðrar vitsmunalegar aðgerðir), tilgreindar með jákvæðum z stigum (Mynd 1A; sjá mynd af minnis- og hreyfivirknikortum í Extended Data Fig. 1-2; Yarkoni o.fl., 2011). Athugið að notkun áminnihér er átt við minni almennt, þar sem kortið var smíðað úr minnistengdum taugamyndatökurannsóknum sem nota margar tegundir minnisverkefna (Yarkoni o.fl., 2011). Við skráðum bæði kortin í sameiginlegt MNI152 rými. Minnissvæðin í minnistengingarkortinu voru notuð til að skilgreina nothæf AHBA sýni fyrir síðari staðbundna fylgnigreiningu.
Staðbundin líkindagreining
Með því að nota þessi gagnasöfn reyndum við að einangra genin með há staðbundin fylgnigildi milli genatjáningar þeirra ogminnihugtakakort fyrir síðari greiningarþrep, þar sem þau eru líklegast tengd minni (Fox o.fl., 2014). Við gerðum staðbundna líkindisgreiningu milli AHBA og Neurosynth tengslakortanna sérstaklega fyrir barka- og undirbarkasvæði vegna áberandi munar þeirra (sjá inngang; listi yfir heila- og undirbarkasvæði er fáanlegur í Extended DataFig. 1-3), og fyrir minni og hreyfivirkni (sjá dæmi um staðbundna fylgni á mynd 2). Hver greining gaf lista L, sem innihélt meðaltal fylgnigilda 15.625 gena sem notuð voru fyrir síðari röðun (mynd 1B).
Í kjölfarið röðuðum við hverjum lista L. Jákvæð fylgni gefur til kynna meiri genatjáningu á svæðum sem skipta máli fyrirminni, og neikvæð fylgni felur í sér minni tjáningu á svæðum sem skipta máli fyrir minni. Efstu-10 genin sem hafa jákvæða og neikvæða fylgni fyrir greiningar á minnisberki og undirbarkar eru sýnd í töflu 1 (sjá staðbundið fylgnigildi allra gena í aukinni gagnatöflu 1-1). Það voru fleiri neikvæð fylgni gen en jákvætt fylgni gen fyrir bæði heila- og undirbarkagreiningu á minni (útvíkkuð gagnatafla 1-1). Við fundum 8383 jákvæða og 7243 neikvæða fylgni gen fyrir barkarsvæðin og 7642 jákvæða og 7984 neikvæða gen fyrir undirbarkasvæðin.
Sérstök genatjáningarsnið sem tengist minni í heilaberki og undirberki
Í kjölfar staðbundinnar fylgnigreiningar var stefnt að því að skilgreina genatjáningarsnið sem tengjast heilaberki og undirberkiminniá yfirgripsmikinn hátt. Til að bera kennsl á og einkenna setur gena sem vinna að sameiginlegri líffræðilegri virkni (þ.e. genasett), greindum við hvert af heilaberki og undirberki listum L með GSEA fyrirfram raðað (mynd 1C). Þetta leiddi til jákvætt stiga og neikvætt stiga genasett, unnin úr jákvætt og neikvætt fylgni gena L, í sömu röð. Þessum genasettum var síðan flokkað í starfrænt skylda klasa og sjálfkrafa skráð með líffræðilegum þemum (Cline o.fl., 2007; Merico o.fl., 2010; Oesper o.fl., 2011).
Á heildina litið höfðu heilaberki og undirberki sérstök líffræðileg þemu sem áður fundust tengd minni. Fyrir heilaberkiminniGSEA leiddi í ljós 28 jákvæð og 29 neikvæð marktækt auðguð genasett. Sjónræn auðgunarnetið sýndi að þessi genasett voru flokkuð í fimm aðskilda klasa (mynd 3; heildarniðurstöður GSEA eru í auknum gögnum mynd 3-1), þar sem genasett innan hvers klasa deildu auðguðu genum. Þessi genasett reyndust tengjast minni. Jákvæði þyrpingin P1 innihélt genasett sem tengdust ónæmissvörun og Fc viðtakaboðum (Fernandez-Vizarra o.fl., 2012; Marin og Kipnis, 2013). P2 var flækt í interferón-gamma boð (Litteljohn o.fl., 2014), P3 í kalsíumjónaflutningi yfir himnu og P4 í samsetningu aktínþráða (Krucker o.fl., 2000; Lamprecht, 2011). Neikvæða þyrpingin N2 innihélt genasett sem taka þátt í gangverki litninga, erfðafræðilegri stjórnun og aðgreiningu ónæmisfrumna (Kim og Kaang, 2017).
Fyrir subcorticalminniGSEA leiddi í ljós 50 jákvæð og 14 neikvæð marktækt auðguð genasett. Sjónræn auðgunarnetið sýndi að þessi genasett voru flokkuð í þrjá aðskilda klasa (Mynd 4; heildarniðurstöður GSEA eru í Extended Data Fig. 4-1). Á sama hátt reyndust þessi genasett tengjastminni. Jákvæði þyrpingin P1 tengist taugamótaflutningi og synaptískri mýkt. Það innihélt einnig genasamstæður sem taka þátt í innfrumumyndun og frumufrumumyndun, seytingu taugaboðefna, langtímastyrkingu (Stuchlik, 2014), merkjaboð fyrir glútamatviðtaka og formgerð taugafrumnavarps (Kasai o.fl., 2010). Neikvæða þyrpingin N1 tengist umritunar- og þýðingarferlum (Jarome og Helmstetter, 2014; Alberini og Kandel, 2015) og þyrping N2 tengist aðgreiningu glialfrumna og oligodendrocyte (Hertz og Chen, 2016; Pepper o.fl., 2018).
Mynd 2. Dæmi um úttak af staðbundinni líkindagreiningu. Tjáningarstig toppfylgni barkargensins, GRB14, er sýnd sem fall af voxel-vita mikilvægi Neurosynth kortsins fyrirminnifall (z stig). Stöðluð genatjáning (y-ás) teiknuð á móti Z stigum á taugamyndatökukorti (x-ás). Hver lituð aðhvarfslína táknar þá línu sem hentar best fyrir hvern af sex gjöfum (litir); hálfgagnsæra bandið í kringum hverja línu táknar 95 prósent öryggisbilsmatið.
Til að bera kennsl á mun og skörun á erfðafræðilegum sniðum í heilaberki og undirbarkar, greindum við og einkenndum mismunandi og sameiginlega (1) líffræðilega ferla eins og sýnt er á auðgunarkortunum og (2)minnigen (þ.e. öll gen sem finnast í 1 auðguðu genasetti; mynd 1D). Við fundum litla skörun, 2,5 prósent genasetta (N 3) og 9,6 prósent gena (N 135) á milli heilabarka- og undirbarkarsvæða (mynd 5; heildarlistinn yfir aðgreindar og skarast gena er í Extended DataFig. {{9 }}). Genin sem sköruðust tóku þátt í minnistengdum ferlum próteinaflutnings, umritunarstjórnunar, synaptic plasticity og glútamatviðtakaboða (Peng o.fl., 2011; Rosenberg o.fl., 2014; Alberini og Kandel, 2015; Tafla 2; full framleiðsla af genasett og gen frá Top- pGene í Extended DataTable 2-1). Þar á meðal eru gen sem taka þátt í Arp2/3 flókinni, GABA og AMPA bindilstýrðum jónagöngum sem eru mikilvæg fyrir minnisvirkni (Gasbarri og Pompili, 2014;Basu o.fl., 2016; Takemoto o.fl., 2017; Útvíkkuð gagnatafla { {23}}). Heilaberkissértæk gen tóku þátt í minnistengdum ferlum eins og DNA-viðgerð, erfðafræðilegri stjórnun, ónæmi og IFN-merki (Marin og Kipnis, 2013; Litteljohn o.fl., 2014; Kim og Kaang, 2017; Hou o.fl., 2018 ; Útvíkkuð gagnatafla 2-1). Sértæk gen undirbarkar taka þátt í taugamyndun, dendrite formgerð, aðgreiningu glialfrumna og mergmyndun (Hertz og Chen, 2016;Kao o.fl.,
Mynd 3. Sjónræn auðgunarkort fyrir heilaberkiminni. Klasar eru merktir með P fyrir jákvætt, N fyrir neikvætt. Í ljós kom að genahópar tengdustminni. Jákvæðir klasar voru tengdir ónæmisboðum, kalsíumflutningi og samsetningu aktínþráða. Neikvæða þyrpingin innihélt genasett sem taka þátt í virkni litninga og stjórnun á erfðaefni. Sjá mynd útvíkkaðs gagna 3-1 fyrir heildarúttakið frá GSEA Forraðað.
2018; Pepper o.fl., 2018; Útvíkkuð gagnatafla 2-1). Athugaðu að sama genasett getur birst bæði í líffræðilegu ferlinu sem er sértækt fyrir barka og undirbarkar. Til dæmis, theminnigenasett eru auðguð á báðum svæðum, en í hverju tilviki er auðgun genasetts knúin áfram af mismunandi genum (Extended DataTable 2-1). Þetta er vegna þess að mismunandi gen geta skipt máli fyrir, og þannig aukið auðgun fyrir sama líffræðilega ferli genasett.
Kjarna mismunað tjáð gen sem tengjast cortical og subcorticalminni
Til að bera kennsl á toppinn-10minnigen sem líklegast eru tengd mönnumminnivirkafyrir tilraunarannsókn í framtíðinni, auðkenndum við gen sem skipta máli fyrir mörg genasett sem fengust hér að ofan með LEA (Mynd 1E; Subramanian o.fl., 2005; Darby o.fl., 2016; Fleming og Miller, 2016). Fyrri rannsókn hefur sýnt að slík gen sem knýja fram auðgun margra genasetta eru líklegri tengd svipgerðinni sem greind er, þ.e. minnisvirkni í þessu tilfelli (Subramanian o.fl., 2005; Darby o.fl., 2016; Fleming og Miller, 2016). Samsetning GSEA og LEA var áður árangursrík við að bera kennsl á erfðafræðileg einkenni vitsmunalegra virkni (Thomassen o.fl., 2008; Ersland o.fl., 2012; Lee o.fl., 2013), þar með talið þátta- og vinnsluminni (Heck o.fl., 2014;
Linksys o.fl., 2015). Við notuðum LEA á genasettin með jákvæðum og neikvæðum einkunnum hér að ofan, fylgt eftir með því að velja efstu-10 genin sem birtast oftast í fremstu undirmengi genasettanna. Þessi gen voru síðan staðfest með dýralíkönum, sem voru flokkuð sem sterk eða veik sönnunargögn sem styðja tengslin milli gensins og minnisvirkni (mynd 1F). Sterkar vísbendingar voru samsettar af genameðferð eða rannsóknum á lyfjameðferð, td genaútslag sem leiddi til minnisbreytinga. Veikar vísbendingar tóku til fylgni- eða reiknirannsókna, svo sem uppstjórnun gena sem tengdist aukinniminniframmistaða.
Fyrir heilaberkiminni, níu af hverjum 10 jákvæðum fylgni genum voru áður tengdir viðminnivirka(Tafla 3; heill listi yfir minnisgen í heilaberki og ritrýni Útvíkkuð gagnatafla 3-1, heill LEA úttak í útvíkkuðum gagnatöflu 3-2). Gen PRKCD (Etcheberrigaray o.fl., 2004; Conboy o.fl., 2009), RAC1 (Haditsch o.fl., 2009; Oh o.fl., 2010), LIMK1 (Todorovski o.fl., 2015) og CDC42 ( Kim o.fl., 2014; Zhang o.fl., 2016) höfðu sterk tengsl við minni. Fyrir samsvarandi neikvætt fylgni umsækjandi gen, höfðu öll 10 genin sterkar vísbendingar sem styðja hlutverk þeirra í minni. Þetta voru öll gen sem kóða histon H4 próteinið, sem var tengt minnisframmistöðu (Peleg o.fl., 2010). Afstýring á histón H4 asetýleringu hjá eldri músum tengdist minnisskerðingu og endurnýjun þessarar reglugerðar bætti minni þeirra.
Mynd 4. Sjónræn auðgunarkort fyrir minni í heilaberki. Klasar eru merktir með P fyrir jákvætt, N fyrir neikvætt. Í ljós kom að genahópar tengdust minni. Jákvæðir klasar voru tengdir taugamótaflutningi, langvarandi mýkt, glútamatboðum og formgerð taugafruma. Neikvæðar klasar innihéldu genasett sem taka þátt í umritun og þýðingu og aðgreiningu glialfrumna. Sjá mynd 4-1 um aukna gögn fyrir heildarúttakið frá GSEA Forraðað.
Að því er varðar minni undir heilaberki voru öll 10 jákvæð fylgni genin áður tengd minnisvirkni (tafla 4; heildarlisti yfir minnisgen undir heilaberki og yfirlit yfir bókmenntir í aukinni gagnatöflu 4-1; LEA niðurstöður í aukinni gagnatöflu 4-2). Gen CDK5, NLGN1, RAB3A, STX1A, SNCA, SYT1 og UNC13A voru sterklega tengd minni (Fujiwara o.fl., 2006; Yang o.fl., 2007; Liu o.fl., 2009; Guan o.fl., 2011; Kokhan o.fl., 2012; Bie o.fl., 2014; Mishiba o.fl., 2014; Böhme o.fl., 2019). Sjö af hverjum 10 neikvætt fylgni umsækjenda gena voru með veikar vísbendingar sem benda til þeirra í minni. Þetta voru gen sem kóða ríbósóma undireiningar, sem voru mismunandi tjáðar í nagdýrum sem sýna beturminniframmistöðu (Wang o.fl., 2003; Kong o.fl., 2009; Winbush o.fl., 2012; Katz og Lamprecht, 2015; Oka o.fl., 2016; Zhang o.fl., 2018).
