PNAS | 大脑DNA甲基化的无创MRI成像

原创 图灵基因 图灵基因 2022-03-23 09:11

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伊利诺伊大学（U of I）香槟分校的一个多学科团队设计了一种基于MRI的非侵入性3D成像方法，可直接捕获DNA甲基化，这是与调节基因表达和大脑学习相关的关键表观遗传变化。科学家们说，他们在猪身上进行的概念验证研究将很容易推广到人类身上，因为这种被他们称为epigenetic MRI（eMRI）的方法依赖于标准的MRI技术和已经在人类医学中使用的生物标记。

由伊利诺伊大学Carle Illinois医学院教授King Li博士共同领导的研究人员认为，eMRI将为研究表观遗传变化如何塑造大脑并使其能够生长、学习和应对压力开辟新的研究途径。该技术也可能有助于研究阿尔茨海默病等神经退行性过程。

“由于DNA甲基化是基因表达的主要调节因子之一，因此eMRI有望成为了解大脑功能和疾病分子基础的有力工具。”研究人员在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）上发表的一篇题为“Epigenetic MRI: Noninvasive imaging of DNA methylation in the brain”的论文中总结道。伊利诺伊大学生物工程教授Fan Lam博士，伊利诺伊州Carl R. Woese基因组生物学研究所所长Gene Robinson博士，与Li和伊利诺伊大学香槟分校的一组研究人员共同领导了这项工作。

作者解释说，由于发育、衰老、环境影响和疾病，大脑的结构和功能不断变化。大脑中有两个控制系统，在不同的时间尺度上运行。“神经元和遗传机制都能调节大脑功能。”神经元和其他脑细胞在几秒或几毫秒内对环境线索做出反应，而基因表达的变化则需要更长的时间。例如，当蜜蜂受到威胁时，它必须立即采取行动。它依靠神经元快速发射并使其采取防御行动。但即使在威胁消失后，蜜蜂的大脑仍会继续做出反应，为基因表达变化带来的潜在未来威胁做好准备。

“我们的DNA在不同的细胞中是相同的，不会改变。”研究人员说，“但是像甲基这样的微小分子附着在DNA骨架上，以调节哪些基因正被积极转录成RNA并翻译成蛋白质。DNA甲基化是控制基因功能的一个非常重要的部分。”

研究蜜蜂基因组学、经验和行为相互作用的伊利诺伊昆虫学教授Robinson说，之前的研究表明，DNA甲基化是动物对其环境做出反应时大脑中发生的几种表观遗传变化之一。“动态表观遗传活动是支撑大脑在发育和衰老过程中以及在环境和疾病刺激下如何改变其功能的基本机制。”作者进一步写道。Robinson的研究表明，随着蜜蜂成熟、改变在蜂巢中的角色、遇到新的食物来源或对威胁做出反应时，蜜蜂大脑中的许多基因都会上调或下调。

“我们专注于第二个控制系统，即依赖基因表达的分子控制系统。”Robinson说，“这些变化可能需要几分钟才能发生，但也可能会持续数小时、数天甚至更长时间。”但作者指出，这种变化可能很难监测。“虽然有很好的方法可以研究体内神经元的活动，但没有无创的方法来测量活体大脑中的整体基因表达。”

科学家们一直无法准确地捕捉到随着时间的推移在活体大脑中发生的分子变化。早期对蜜蜂和其他生物的表观遗传学研究需要切除脑组织或解剖动物进行分析。之前在人脑中的一项研究工作对一种参与调节表观遗传变化的酶进行了成像，但并未直接针对表观遗传变化。作者进一步解释说，“最近证明了对人脑中组蛋白去乙酰酶（HDAC）进行PET成像使用的放射性示踪剂可以通过血脑屏障（BBB）并靶向HDAC亚型。”他们指出，虽然这种形式的成像确实可探测组蛋白乙酰化，但作为表观遗传基因调控的另一种主要形式，PET需要将放射性物质引入体内，而且它只针对调节组蛋白乙酰化的一种酶，而不是组蛋白乙酰化本身。“此外，PET缺乏区分目标分子和下游代谢产物的特异性。”

伊利诺伊团队转而使用MRI，看看这项技术是否可用于直接成像活体受试者的表观遗传变化。对于这一新方法，研究人员依赖于一个关键见解。碳同位素碳-13天然存在于人体内，但其姊妹同位素碳-12的含量要丰富得多，活组织中约99%的碳是碳-12。研究人员意识到必需氨基酸蛋氨酸可以携带碳-13进入大脑，在那里它可以提供DNA甲基化所需的碳-13标记的甲基。然后，这个过程会用一种罕见的碳同位素标记DNA。

蛋氨酸必须通过饮食获得，因此研究人员认为，将碳-13标记的蛋氨酸（13C-Met）喂给受试者可以使其进入大脑并标记那些正在发生甲基化的区域。“我们选择13C-Met是因为Met是一种必需氨基酸，是DNA甲基化的主要甲基供体。Met也常被用作营养补充剂，并被批准供人类使用。”研究人员指出，“为了验证我们的标记方法，我们设计了一种特殊的饮食，用适当比例的游离氨基酸代替所有蛋白质，并用富含13C的蛋氨酸代替所有蛋氨酸。”Lam与伊利诺伊化学教授Scott Silverman合作开发了一种区分甲基化DNA和大脑中其他甲基化分子的方法。他指出，“当我们开始这个项目时，我们认为它可能会失败，但潜力是如此令人兴奋，以至于我们不得不尝试。”

此前的研究已经表明，MRI可以对碳-13进行成像，并且口服碳-13已经在人类受试者中使用了数十年。但是来自活体动物的碳-13信号很弱，因此Lam和伊利诺伊大学电气与计算机工程教授Zhi-Pei Liang博士依靠他们在MRI和MR光谱学方面的专业知识，来显著增强eMRI信号。

该团队首先在啮齿类动物身上尝试了这种方法，然后转而在小猪身上工作，这些小猪的大脑更大，更像人类的大脑。为此，他们依靠合著者Ryan Dilger博士的专业知识，他是伊利诺伊大学的动物科学教授，研究影响猪神经发育的因素。

“这个项目是高度多学科的。”Lam说，“我们的团队中有工程师、成像和放射学专家，以及在临床应用方面具有很强背景的人员。我们还有在营养科学、动物科学、化学和基因组学方面具有专业知识的科学家。”

在对喂食含有碳-13标记的蛋氨酸的仔猪进行的实验中，研究人员发现MRI可以检测到大脑中碳-13标记的甲基群的信号增加。进一步的分析使他们能够将DNA上的甲基与其他甲基化分子区分开来。

与出生时相比，这些小猪在出生几周后大脑中有更多新的DNA甲基化，仅根据大小的变化，这种增加远远超过预期。

“这一发现非常令人鼓舞，因为它反映了我们期望看到的这个信号是否对环境敏感。”Li说，“从动物研究中得知，与学习和记忆最相关的大脑区域会经历更多的表观遗传变化。猪大脑中的DNA甲基化也存在区域差异，就像经典MRI研究中存在区域差异一样。我们现在希望将这项技术应用于人类。让这个标签进入大脑很容易，而且对身体没有伤害。我们将通过饮食将其传递给人们，然后我们就可以检测到信号。”

该团队进一步指出，eMRI能够提供有关体内大脑中DNA甲基化转换的信息。在大脑发育的小猪中，13C标签可以通过新细胞的形成和DNA甲基化的更新被纳入到脑细胞的DNA中，但在成年动物和人类中，大脑生长不是主要因素，因此，将13C标记纳入成人脑细胞DNA主要是通过DNA甲基化的转换。“以前没有已知的体内技术可以测量这种转换，使用eMRI进行测量可能有助于揭示大脑DNA甲基化的动态如何有助于调节更高的大脑功能。”

Li表示，他们对这种方法的首次应用可能会出现在对患有和未患有神经退行性疾病的人的大脑进行比较的研究中。但正如作者总结的那样，“鉴于eMRI的无创性，我们的研究结果为活体人脑的DNA甲基化成像模式铺平了道路……正如区域神经元活动的功能性MRI测量对神经科学产生了变革性影响一样，我们预计eMRI信号，无论是作为区域表观遗传活动的衡量标准，还是作为区域基因表达的可能替代物，都将使对人类大脑功能、行为和疾病的许多新研究成为可能。”