تیم از MRI ​​برای تصویربرداری از اپی ژنتیک در مغز استفاده می کند

یک تیم چند رشته ای در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign یک رویکرد جدید برای تصویربرداری سه بعدی ابداع کرده است که متیلاسیون DNA، یک تغییر اپی ژنتیک کلیدی مرتبط با یادگیری در مغز را ضبط می کند. دانشمندان می گویند که مطالعه اثبات مفهوم آنها بر روی خوک ها به راحتی به انسان ها ترجمه می شود، زیرا روش جدید بر فناوری استاندارد MRI و نشانگرهای بیولوژیکی که در حال حاضر در پزشکی انسانی استفاده می شود، متکی است.

اپی ژنتیک یک مکانیسم کلیدی است که توسط آن بیان ژن تنظیم می شود. به گفته محققان، رویکرد جدید که MRI اپی ژنتیک یا eMRI نامیده می‌شود، راه‌های تحقیقاتی جدیدی را در مورد چگونگی شکل‌دهی چنین تغییراتی به مغز باز خواهد کرد و به آن اجازه رشد، یادگیری و پاسخ به استرس را می‌دهد. این تکنیک همچنین ممکن است در مطالعه فرآیندهای عصبی مانند بیماری آلزایمر مفید باشد.

یافته ها در گزارش شده است مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم.

دکتر کینگ لی، استاد کالج پزشکی کارل ایلینویز در U. I. که این تحقیق را با استاد مهندسی زیستی U. of I. هدایت می کرد، گفت: متیلاسیون DNA یکی از مکانیسم هایی است که سلول ها برای تنظیم ژن هایی که به طور فعال بیان می شوند استفاده می کنند. فن لام و جین رابینسون، مدیر مؤسسه زیست شناسی ژنومی کارل آر ووز در ایلینوی.

لی گفت: DNA ما از سلولی به سلول دیگر یکسان است و تغییر نمی کند. اما مولکول‌های ریز، مانند گروه‌های متیل، به ستون فقرات DNA متصل می‌شوند تا تعیین کنند کدام ژن به طور فعال به RNA رونویسی شده و به پروتئین ترجمه می‌شود. متیلاسیون DNA بخش بسیار مهمی از کنترل عملکرد ژن است.

رابینسون، پروفسور حشره شناسی در ایلینویز که به بررسی تأثیر متقابل ژنومیک، تجربه و رفتار در زنبورهای عسل می پردازد، گفت: تحقیقات قبلی نشان داد که متیلاسیون DNA یکی از چندین تغییر اپی ژنتیکی است که در مغز هنگام واکنش حیوان به محیط خود رخ می دهد. مطالعات او نشان داده است که بسیاری از ژن‌های مغز در زنبورهای عسل با بلوغ، تغییر نقش در کندو، مواجهه با منابع غذایی جدید یا پاسخ به تهدیدات، تنظیم یا تنظیم منفی می‌شوند.

رابینسون گفت که دو سیستم کنترل در مغز وجود دارد که در مقیاس های زمانی متفاوت عمل می کنند. نورون‌ها و سایر سلول‌های مغزی در عرض چند ثانیه یا میلی‌ثانیه به نشانه‌های محیطی پاسخ می‌دهند، در حالی که تغییرات در بیان ژن بیشتر طول می‌کشد. به عنوان مثال، زمانی که زنبور عسل تهدیدی را تجربه می کند، باید فوراً اقدام کند. به نورون‌ها متکی است تا به سرعت شلیک کنند و به آن اجازه می‌دهند که به صورت دفاعی عمل کند. اما مغز زنبور عسل حتی پس از پایان تهدید به پاسخ دادن خود ادامه می‌دهد و خود را برای تهدید احتمالی آینده با تغییر در بیان ژن آماده می‌کند.

رابینسون گفت: «ما بر روی این دومین سیستم کنترل، سیستم کنترل مولکولی، که بر بیان ژن متکی است، تمرکز می کنیم. این تغییرات ممکن است چند دقیقه طول بکشد، اما ممکن است برای ساعت ها، روزها یا حتی بیشتر طول بکشد.

دانشمندان نتوانسته‌اند تغییرات مولکولی را که در طول زمان در مغز زنده اتفاق می‌افتد، به طور دقیق ثبت کنند. مطالعات اپی ژنتیکی قبلی روی زنبورهای عسل و سایر موجودات نیاز به برداشتن بافت مغزی یا تشریح حیوان برای تجزیه و تحلیل داشت. یک تلاش تحقیقاتی قبلی در مغز انسان از آنزیمی که در تنظیم یک تغییر اپی ژنتیک نقش دارد تصویر می‌کرد اما تغییر اپی ژنتیک را مستقیماً هدف قرار نداد. تیم ایلینوی می خواست از قدرت MRI برای تصویربرداری مستقیم از تغییرات اپی ژنتیک در افراد زنده استفاده کند.

برای رویکرد جدید، تیم بر یک بینش کلیدی تکیه کرد: لی متوجه شد که یک اسید آمینه ضروری، متیونین، می‌تواند یک نشانگر اتمی به نام کربن 13 را به مغز منتقل کند، جایی که می‌تواند گروه متیل برچسب‌دار با کربن 13 مورد نیاز را اهدا کند. برای متیلاسیون DNA این فرآیند DNA را با ایزوتوپ کمیاب کربن مشخص می کند. کربن-13 به طور طبیعی در بدن وجود دارد، اما ایزوتوپ خواهر آن، کربن-12، بسیار فراوان تر است. او گفت که حدود 99 درصد کربن موجود در بافت های زنده کربن 12 است.

متیونین باید از طریق رژیم غذایی بدست آید، بنابراین تیم تصمیم گرفت این ایده را آزمایش کند که تغذیه متیونین دارای برچسب کربن 13 برای افراد مورد مطالعه به آن اجازه می دهد تا به مغز منتقل شود و آن مناطق تحت متیلاسیون را برچسب گذاری کنند.

لام که با استاد شیمی ایلینویز اسکات سیلورمن برای ایجاد روشی برای تمایز بین DNA متیله و سایر مولکول های متیله در مغز کار می کرد، گفت: “زمانی که ما این پروژه را شروع کردیم، فکر کردیم ممکن است شکست بخورد.” اما پتانسیل آنقدر هیجان انگیز بود که مجبور شدیم تلاش کنیم.”

مطالعات قبلی نشان داده بود که MRI می تواند کربن 13 را تصویر کند و کربن 13 خوراکی برای چندین دهه در افراد انسانی مورد استفاده قرار گرفته است. اما سیگنال کربن 13 از حیوانات زنده ضعیف است، بنابراین Lam و U. از I. پروفسور مهندسی برق و کامپیوتر Zhi-Pei Liang به تخصص خود در طیف سنجی MRI و MR برای افزایش قابل توجه سیگنال eMRI تکیه کردند.

این تیم ابتدا این روش را در جوندگان آزمایش کردند، سپس به کار روی خوکچه‌هایی روی آوردند که مغز بزرگ‌ترشان بیشتر شبیه مغز انسان است. برای این کار، آنها به تخصص یکی از نویسندگان، رایان دیلگر، استاد علوم دامی در ایلینوی که عواملی را که بر رشد عصبی در خوک‌ها تأثیر می‌گذارند، مطالعه می‌کنند، تکیه کردند.

لام گفت: «این پروژه بسیار چند رشته ای است. ما در تیم مهندسین، متخصصان تصویربرداری و رادیولوژی و افرادی با پیشینه بسیار قوی در کاربردهای بالینی داریم. همچنین دانشمندانی داریم که در علوم تغذیه، علوم دامی، شیمی و ژنومیک تخصص دارند.”

در آزمایشات روی خوکچه‌هایی که از رژیم غذایی حاوی متیونین با برچسب کربن 13 تغذیه می‌کردند، محققان دریافتند که MRI می‌تواند سیگنال افزایشی از گروه‌های متیل نشان‌دار کربن 13 در مغز را تشخیص دهد. تجزیه و تحلیل های بیشتر به آنها اجازه داد تا گروه های متیل روی DNA را از سایر مولکول های متیله متمایز کنند.

این خوک‌ها چند هفته پس از تولد بیشتر از زمان تولد متیلاسیون DNA جدیدی در مغز داشتند و این افزایش تنها بر اساس تغییرات اندازه، بسیار بیشتر از حد انتظار بود.

لی گفت: “این یافته بسیار دلگرم کننده است زیرا آنچه را که انتظار داریم ببینیم آیا این سیگنال به محیط زیست پاسخ می دهد را منعکس می کند.” از مطالعات حیوانی مشخص شده است که نواحی مغزی که بیشترین نقش را در یادگیری و حافظه دارند، تغییرات اپی ژنتیکی بیشتری را تجربه می کنند. همچنین تفاوت های منطقه ای در متیلاسیون DNA در سراسر مغز خوک وجود دارد، درست مانند تفاوت های منطقه ای در مطالعات MRI کلاسیک.

ما اکنون انتظار داریم که این تکنیک را در انسان اعمال کنیم. وارد کردن این برچسب به مغز آسان است و هیچ آسیبی به بدن وارد نمی‌کند. ما آن را از طریق رژیم غذایی به افراد می‌دهیم و سپس می‌توانیم سیگنال را تشخیص دهیم.

او گفت که اولین کاربرد آنها از این رویکرد احتمالاً در مطالعات مقایسه مغز افراد مبتلا به بیماری‌های عصبی و بدون آن رخ خواهد داد.