Kognitivní genomika - Cognitive genomics

Kognitivní genomika (nebo neurativní genomika ) je podoblast genomiky související s kognitivní funkcí, ve které jsou studovány geny a nekódující sekvence genomu organismu související se zdravím a aktivitou mozku . Aplikací srovnávací genomiky se porovnávají genomy více druhů, aby se identifikovaly genetické a fenotypové rozdíly mezi druhy. Mezi pozorované fenotypové charakteristiky související s neurologickou funkcí patří chování , osobnost , neuroanatomie a neuropatologie . Teorie kognitivní genomiky je založena na prvcích genetiky , evoluční biologie , molekulární biologie , kognitivní psychologie , behaviorální psychologie a neurofyziologie .

Inteligence je nejrozsáhlejším studovaným znakem chování . U lidí je přibližně 70% všech genů exprimováno v mozku. Genetická variabilita představuje 40% fenotypových variací. Přístupy v kognitivní genomice byly použity ke zkoumání genetických příčin mnoha duševních a neurodegenerativních poruch včetně Downova syndromu , závažné depresivní poruchy , autismu a Alzheimerovy choroby .

Testování kognitivní genomiky

Přístupy

Evo-geno

Nejčastěji používaným přístupem ke zkoumání genomu je biologie evoluční genomiky nebo evo-geno, ve které se porovnávají genomy dvou druhů, které mají společného předka. Běžným příkladem evo-geno je srovnávací testování kognitivní genomiky mezi lidmi a šimpanzi, kteří sdíleli předka před 6–7 miliony let. K určení genomové diferenciace se zkoumají vzory v lokální genové expresi a genovém sestřihu . Srovnávací transkriptomické analýzy prováděné na mozcích primátů k měření úrovní genové exprese ukázaly významné rozdíly mezi lidskými a šimpanzími genomy. Přístup evo-geno byl také použit k ověření teorie, že lidé a primáti mimo člověka sdílejí podobné úrovně exprese v genech souvisejících s energetickým metabolismem, které mají důsledky pro stárnutí a neurodegenerativní onemocnění.

Evo-devo

Evoluční vývojová biologie (evo-devo) porovnává kognitivní a neuroanatomické vývojové vzorce mezi soubory druhů. Studie mozku lidského plodu ukazují, že téměř třetina exprimovaných genů je regionálně diferencovaná, mnohem více než nelidské druhy. Toto zjištění by mohlo potenciálně vysvětlit rozdíly v kognitivním vývoji mezi jednotlivci. Neuroanatomické studie evo-devo spojily vyšší mozkový řád s lateralizací mozku, která, i když je přítomna u jiných druhů, je u lidí vysoce uspořádaná.

Evo-pheno a evo-patho

Evoluční přístup biologie fenotypu (evo-pheno) zkoumá expresi fenotypu mezi druhy. Přístup evoluční biologie patologie (evo-patho) zkoumá prevalenci nemocí mezi druhy.

Zobrazovací genomika

Selekce kandidátského genu

V genomice je zobrazovaný a analyzovaný gen označován jako kandidátský gen. Ideální kandidátské geny pro srovnávací genomové testování jsou geny, které v sobě nesou dobře definované funkční polymorfismy se známými účinky na neuroanatomické a/nebo kognitivní funkce. Postačují však geny s buď identifikovanými jednonukleotidovými polymorfismy nebo variacemi alel s potenciální funkční implikací na neuroanatomické systémy. Čím slabší je spojení mezi genem a fenotypem, tím obtížnější je stanovení kauzality testováním.

Ovládání pro negenetické faktory

Negenetické faktory, jako je věk, nemoc, úraz nebo zneužívání návykových látek, mohou mít významný vliv na genovou expresi a fenotypovou odchylku. Identifikaci a přínos genetické variace ke specifickým fenotypům lze provést pouze tehdy, když lze napříč skupinami genotypů spojit další potenciální přispívající faktory. V případě neuroimagingu během plnění úkolů, jako je tomu u fMRI, se skupiny shodují podle úrovně výkonu. Negenetické faktory mají obzvláště velký potenciální účinek na kognitivní vývoj. V případě autismu představují negenetické faktory 62% rizika onemocnění.

Výběr úkolu

Aby bylo možné studovat spojení mezi kandidátským genem a navrhovaným fenotypem, je subjektu často svěřen úkol provést, který vyvolává fenotyp chování, zatímco prochází nějakou formou neuroimagingu . Mnoho behaviorálních úkolů používaných pro genomické studie jsou upravenými verzemi klasických behaviorálních a neuropsychologických testů navržených ke zkoumání nervových systémů kritických pro konkrétní chování.

Druhy používané ve srovnávací kognitivní genomice

Lidé

V roce 2003 projekt lidského genomu vytvořil první kompletní lidský genom. I přes úspěch projektu je o expresi kognitivních genů známo velmi málo. Před rokem 2003 byly jakékoli důkazy o konektivitě lidského mozku založeny na posmrtných pozorováních. Vzhledem k etickým obavám nebyly na živých lidech provedeny žádné invazivní studie genomiky in vivo .

Nelidští primáti

Jako nejbližší genetičtí příbuzní lidem jsou nejpreferovanějšími subjekty zobrazujícími genomiku nehumánní primáti . Ve většině případů se primáti zobrazují v anestezii . Vzhledem k vysokým nákladům na chov a udržování populací primátů se genomové testování na nehumánních primátech obvykle provádí ve výzkumných zařízeních primátů.

Šimpanzi

Šimpanzi ( Pan troglodytes ) jsou nejbližším genetickým příbuzným člověka a sdílejí 93,6% genetickou podobnost. Předpokládá se, že lidé a šimpanzi sdíleli společného genetického předka asi před 7 miliony let. Pohyb k sekvenování genomu šimpanzů začal v roce 1998 a americký národní institut zdraví mu dal vysokou prioritu (NIH).

V současné době mají lidé a šimpanzi jediné sekvenované genomy v rozšířené rodině primátů. Některá srovnání autosomálních intergenních neopakujících se segmentů DNA naznačují pouze 1,24% genetický rozdíl mezi lidmi a šimpanzi podél určitých úseků. Navzdory genetické podobnosti je 80% proteinů mezi těmito dvěma druhy odlišných, což podtrhuje jasné fenotypové rozdíly.

Makaků Rhesus

Makak rhesus ( Macaca mulatta ) vykazuje přibližně 93% genetickou podobnost s lidmi. Často se používají jako mimoskupina v genomických studiích na lidech/šimpanzích. Lidé a makakové rhesus sdíleli společného předka odhadem před 25 miliony let.

Lidoopi

Orangutani ( Pongo pygmaeus ) a gorily ( gorilí gorily ) se používají při testování genomiky, ale nejsou nákladnými předměty.

Neurobehaviorální a kognitivní poruchy

Navzdory tomu, co se někdy uvádí, většina behaviorálních nebo patologických fenotypů není způsobena jedinou genovou mutací, ale spíše složitým genetickým základem. Existují však některé výjimky z tohoto pravidla, jako je Huntingtonova choroba, která je způsobena jedinou specifickou genetickou poruchou. Výskyt neurobehaviorálních poruch je ovlivněn řadou faktorů, genetických i negenetických.

Downův syndrom

Downův syndrom je genetický syndrom charakterizovaný mentálním postižením a odlišnými kranio-obličejovými rysy a vyskytuje se přibližně u 1 z 800 živě narozených dětí. Odborníci se domnívají, že genetickou příčinou syndromu je nedostatek genů v 21. chromozomu . Gen nebo geny zodpovědné za kognitivní fenotyp však dosud nebyly objeveny.

Fragile-X syndrom

Syndrom fragilního X chromozomu je způsobena mutací genu FRAXA umístěn v X chromozomu . Syndrom je poznamenán mentálním postižením (střední u mužů, mírné u žen), jazykovým nedostatkem a některým chováním autistického spektra .

Alzheimerova choroba

Alzheimerova choroba je neurodegenerativní porucha, která způsobuje věkově korelující progresivní kognitivní pokles. zvířecí model na myších zkoumali patofyziologii a navrhnout možné procedury, jako je imunizace s amyloidu beta a periferní podání protilátek proti amyloidu beta. Studie spojily Alzheimerovu chorobu s genovými změnami způsobujícími abnormality proteinů SAMP8 .

Autismus

Autismus je všudypřítomná vývojová porucha charakterizovaná abnormálním sociálním vývojem, neschopností empatie a efektivní komunikace a omezenými vzorce zájmu. Možnou neuroanatomickou příčinou je přítomnost hlíz v temporálním laloku. Jak již bylo zmíněno dříve, negenetické faktory představují 62% rizika rozvoje autismu. Autismus je porucha specifická pro člověka. Genetická příčina jako taková byla zapletena do vysoce uspořádané lateralizace mozku, kterou vykazují lidé. Dva geny byly spojeny s poruchami autismu a autistického spektra (ASD): c3orf58 (aka Deleted In Autism-1 or DIA1) a cXorf36 (akaDeleted in Autism-1 related or DIA1R).

Velká depresivní porucha

Velká depresivní porucha je běžná porucha nálady, o které se předpokládá, že je způsobena nepravidelným neurálním příjmem serotoninu . Zatímco genetická příčina není známa, genomové studie postmortálních mozků MDD objevily abnormality v systému růstového faktoru fibroblastů, který podporuje teorii růstových faktorů hrajících důležitou roli při poruchách nálady.

Ostatní

Mezi další neurodegenerativní poruchy patří Rettův syndrom , Prader-Williho syndrom , Angelmanův syndrom a Williams-Beurenův syndrom .

Languages

In other projects