Strävan efter att lära sig om vår hjärnas mutationer påverkar mental hälsa

I flera år har forskare försökt hitta en gen för tillstånd som schizofreni, Alzheimers och autism. Men den verkliga källan kan ligga i ett mycket mer komplext genetiskt pussel.

Förbi

• Roxanne Khamsi arkivsida

25 augusti 2021

Tony Luong

När Mike McConnell bestämde sig för vad han ville ägna sin karriär åt att arbeta med, var han 29, inspirerad att börja sin doktorsexamen - och bröt sig. Han hade lärt sig från sina biologiklasser att immunceller i kroppen ständigt omarrangerar sitt eget DNA: det är det som gör att de kan skydda oss genom att göra receptorer i rätt form för att binda till invasiva patogener. När han avslutade en magisterexamen i immunologi i Virginia i slutet av 1990-talet, blev han besatt av det över öl med sina rumskamrater. Plötsligt klickade den här idén, minns McConnell. Om genomarrangemang hjälpte immunsystemet att fungera, var skulle det annars kunna hända? Hur är det med hjärnan? Skulle det inte vara snyggt om neuroner också gjorde något liknande? han trodde.

Vid den tiden antog de flesta forskare att celler i det normala nervsystemet hade identiska genom. Men McConnell tittade igenom den vetenskapliga litteraturen och fann att han inte var den ende som var på spåren av denna fråga: en neuroforskare vid namn Jerold Chun vid University of California, San Diego, arbetade redan på det. Han skrev till Chun och övertalade honom att låta honom gå med i hans labb på västkusten. Det fanns bara ett problem: McConnell hade inte råd att ta sig dit.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Han var redan en svältande doktorand, utan pengar för att fixa sin marin Mustang från 1966 – och som den första i sin familj som gick på college hade han inte tillgång till många resurser. Jag hade ingen som skulle släppa några flyttkostnader i mitt knä eller någon av den sortens saker, förklarar han. Chun gav honom 1 000 dollar för att reparera den trasiga bilen och ta sig över landet så att han kunde börja testa sin hypotes.

Med hjälp av speciella färgämnen för att färga kromosomerna av neuroner från musembryon och vuxna möss, hoppades McConnell hitta att neuronerna hade genomgått samma typ av genetisk omarrangering som sett i immunceller, vilket ger mångfald snarare än de perfekta kopiorna som de flesta forskare hade förväntat sig. Men i stället hittade han hela tiden hjärnceller som hade fel antal kromosomer.

Mike McConnell har ägnat sin karriär åt att lära sig om hjärnans mosaik: Vi tog den här galna idén på allvar.

NOAH WILLMAN

Detta var en överraskning. När celler delar sig replikerar de sitt DNA för sina dotterceller. Ibland läggs kopior av gener till eller försvinner av misstag, vilket - till skillnad från ombildningen i kromosomerna som är fördelaktigt för immunsystemet - ansågs vara ett enormt skadligt misstag. Det var inte vettigt att neuroner skulle kunna överleva en sådan enorm förändring i deras genetiska material. Men McConnell hittade hela tiden avvikande neuroner med extra eller saknade kromosomer. Till slut var han tvungen att ompröva vetenskapliga antaganden. Vi tog den galna idén på allvar, säger han. En postdoktor i labbet vid namn Stevens Rehen hade expertis i att odla neuronerna för studier, vilket gjorde det möjligt att analysera data.

UCSD-teamets experiment, publicerade 2001, visade att de centrala nervsystemen för att utveckla musembryon innehöll inte perfekta genetiska kopior . Istället föreslog forskarna att ungefär en tredjedel av nervcellerna från varje musembryo i genomsnitt hade förlorat en kromosom eller fått en extra. Resultatet var vad som kallas en genetisk mosaik. Även om många av dessa celler inte överlevde, kom några in i hjärnan på vuxna möss. McConnell, Chun och deras medförfattare undrade vad en sådan genetisk mosaik kan betyda. Kanske hos människor kan det vara en bidragande faktor till neurologiska störningar, eller till och med psykiatriska sjukdomar. Det var i alla fall en tidig ledtråd att den konventionella uppfattningen om genetiskt identiska hjärnceller var fel.

Vid den tiden letade forskare som försökte förstå psykisk sjukdoms biologi främst efter genetiska mutationer som hade inträffat nära befruktningsögonblicket och som således återspeglades i alla en persons celler. Det hade dykt upp lockande ledtrådar om att en enda gen kan vara ansvarig för vissa tillstånd. 1970, till exempel, fann man att en skotsk tonåring med oberäknelig beteende hade en trasig genregion - och det visade sig att hans släktingar med psykisk sjukdom visade samma anomali. Det tog tre decennier att isolera felet, som forskare kallade DISC1 (för störd-i-schizofreni). Trots cirka 1 000 publicerade forskningsartiklar är frågan om DISC1 – eller någon annan enskild gen – involverad i schizofreni fortfarande mycket omdiskuterad . En handfull andra gener har också granskats som möjliga bovar, och en studie av hela det mänskliga genomet pekade på mer än 120 olika platser där mutationer verkade öka risken för sjukdomen. Men efter detta omfattande sökande efter en schizofreni-gen, ingen enskild gen eller mutation som studerats hittills verkar ha ett tillräckligt stort inflytande för att ses som en definitiv orsak – inte ens DISC1.

Faktum är att forskare har kämpat i sitt sökande efter specifika gener bakom de flesta hjärnsjukdomar, inklusive autism och Alzheimers sjukdom. Till skillnad från problem med vissa andra delar av vår kropp är den stora majoriteten av hjärnstörningar inte kopplade till en identifierbar gen, säger Chun, som nu är vid Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute i La Jolla, Kalifornien.

Men UCSD-studien föreslog en annan väg. Tänk om det inte var en enda defekt gen - eller ens en serie gener - som alltid orsakade kognitiva problem? Tänk om det kan vara de genetiska skillnaderna mellan celler?

Förklaringen hade verkat långsökt, men fler forskare har börjat ta den på allvar. Forskare visste redan att de 85 miljarder till 100 miljarder nervceller i din hjärna fungerar i viss mån tillsammans - men vad de vill veta är om det finns en risk när några av dessa celler kan sjunga en annan genetisk melodi.

Borta dogmen

McConnell, nu 51, har nu ägnat större delen av sin karriär åt att försöka svara på denna fråga. Han verkar tillbakalutad till en början med sitt korta skägg, fyrkantiga glasögon och lätta surfare. Men det finns en intensitet också: han ser lite ut som en yngre version av Hollywoodstjärnan Liam Neeson, med dystra, pigga ögon och rynkade ögonbryn. Efter att ha tagit sin doktorsexamen packade McConnell sina väskor igen och flyttade till Boston för att påbörja en postdoktorandtjänst vid Harvard Medical School. Men han var rastlös. Han njöt inte av det kallare klimatet och längtade efter att åka tillbaka till Kalifornien och återbesöka de uppgifter han hittat där om genetiska skillnader i hjärnan. Jag trodde att mosaik var det mest intressanta jag kunde arbeta med, minns han och sveper ändarna av sitt bruna hår bakom öronen, och en vinter i Boston fick mig att verkligen sakna San Diego.

Han började korrespondera med Rusty Gage, en neuroforskare vid Salk Institute for Biological Studies i San Diego. Gage var också intresserad av genetisk mångfald, men han var mest känd för att ha stött på en annan del av vetenskaplig dogm. Människor hade länge antagit att vuxna aldrig skapade nya neuroner, men Gage hade lett en grupp som publicerade en artikel i slutet av 1990-talet som beskriver bevis på nyfödda celler i en hjärnregion som kallas hippocampus.

Publikationen – som etablerade bevisen för vad som kallas vuxenneurogenes – gav honom ett rykte som en maverick som inte var rädd för att stå bakom provocerande idéer.

Inte alltför långt efter att UCSD-teamet publicerade sin artikel om mosaicism i hjärnan, hade Gage stött på ett annat fenomen som kunde förklara hur genetisk mångfald uppstår i nervsystemet.

Det var redan känt att celler hade bitar av DNA som kallas långa interspersed nukleära element, eller LINEs, som hoppar runt genomet. Gage och hans kollegor visade att dessa också kunde få mosaiker att växa fram. I ett experiment utvecklade möss konstruerade för att bära mänskliga DNA-element som kallas LINE-1s genetiskt olika celler i sina hjärnor som ett resultat.

Precis som med sitt arbete med neurogenes mötte Gage till en början skepsis. Tanken att LINEs – som många ansåg vara skräp-DNA – kunde orsaka genetisk mångfald i hjärnceller stred mot den rådande visdomen. Vi visste att vi skulle stöta på ett sågverk, minns han.

Men Gage och hans medarbetare fortsatte att plöja framåt efter mer bevis. Efter gnagarstudien tittade han och hans lagkamrater på den mänskliga hjärnan. Fyra år senare publicerade de en analys av obduktionsprov, som fann det LINE-1 verkade särskilt aktiva i mänskliga hjärnvävnader .

McConnell hade korresponderat med Gage om allt detta, inklusive kromosomvariationen han hade hittat i musneuroner när han arbetade i Chuns labb. I början av 2009 hade han säkrat ett stipendium med Gage på Salk Institute. Där letade de efter bevis för samma fenomen i mänskliga nervceller, och efter bara några år fann de det.

Som en del av experimentet, som dök upp i Science 2013, använde de en ny teknik som kallas encellsgenomsekvensering. Tekniken kunde isolera och läsa ut DNA från enskild celler; fram till dess hade forskare bara kunnat analysera extraherat genetiskt material från poolade cellprover.

Med hjälp av postmortem frontala cortex-prover från tre friska individer tillämpade de metoden på dussintals neuroner och fastställde att upp till 41% av cellerna hade antingen saknade eller extra genkopior. Denna variation var riklig, drog de slutsatsen, och det bidrog till mosaiken av genetiska skillnader i hjärnan.

Istället för att vara genetiskt enhetliga visar det sig att våra hjärnor är fulla av genetiska förändringar. Vi är förbi historien om huruvida det inträffar eller inte, säger Gage. Dessa mosaikhändelser inträffar. Det här påminner mycket om var jag var med neurogenesen för vuxna. När alla äntligen var överens om att det hände, var vi tvungna att ta reda på vad det gjorde.

Utvidga sökningen

Efter att ha publicerat data från mänskliga hjärnor kände McConnell inte att han ville gå tillbaka till att studera möss. Så när det var dags för honom att sätta upp sitt eget labb vid University of Virginia, gav han sig genast ut för att hitta mänskliga prover. Jag tillbringade de första tre åren som biträdande professor med att försöka hitta hjärnor, minns han.

Ett par år efter att han landat i Virginia fick uppdraget att förstå konstellationen av mutationer i hjärnan ett viktigt uppsving. National Institute of Mental Health gav 30 miljoner dollar till ett konsortium inklusive Gage, McConnell och andra så att de kunde fortsätta undersöka somatisk mosaik. (Somatic, från grekiska för kropp, hänvisar till mutationer som uppstår under en persons livstid, snarare än i spermier eller äggceller hos individens föräldrar.)

Nätverket innehöll forskargrupper som tittade på de olika effekterna av genetisk mosaik. Gage och McConnell var en del av en undergrupp fokuserad på sambandet med psykiatrisk sjukdom. De utarbetade en plan för att leta efter olika mekanismer för mosaik genom att använda samma uppsättning hjärnprover.

Avgörande, de fick mänsklig prover. Vävnadsbiopsier av postmortem hjärnor från individer med schizofreni skickades från ett förvar i Baltimore, Lieber Institute for Brain Development, till vart och ett av de tre teamen.

En del av varje skickades till Gages grupp i Kalifornien för att undersökas för LINE-1s som kan ha orsakat genetisk variation i mosaik. En annan del skickades till McConnells team i Virginia för att leta efter genetiska mosaiker orsakade av raderat eller duplicerat DNA i genomet.

Den återstående tredjedelen av varje prov gick till ännu ett labb, ledd av John Moran vid University of Michigan i Ann Arbor, som undersökte om celler som förvärvar små DNA-sekvensfel mycket tidigt i utvecklingen skulle kunna bilda stora hjärnregioner med samma mutation.

Det finns en växande lista över hjärntillstånd där mosaicism verkligen verkar ha en roll. Det har 'nått bevis för autism, epilepsi och hjärnans överväxtsjukdom', säger McConnell.

I januari publicerade en stor grupp forskare inklusive medlemmar av konsortiet en artikel i Nature Neuroscience som beskrev hur de använde maskininlärning att analysera data om postmortem hjärnceller från flera personer som hade schizofreni. Forskarna föreslog att LINEs börjar aktivt mutera hjärnans DNA tidigt i fosterutvecklingen - och fann fall där LINE-1s hade bombarderat minst två genregioner kopplade till neuropsykiatriska störningar.

McConnell förväntar sig att den här typen av upptäckter kommer att accelerera. Han säger att stora förbättringar av genetisk sekvensering under de senaste åren nu gör det möjligt för forskare att upptäcka DNA-fel på individuell cellnivå mycket snabbare. För ett par år sedan brukade det ta fyra labbmedlemmar i McConnells team två veckor för att individuellt sekvensera 300 hjärnceller. Idag kan en gruppmedlem som arbetar ensam göra encellssekvensering på 2 000 celler på tre dagar. Det har förändrat spelet, säger han.

Men att hitta mutationer är inte detsamma som att etablera ett orsakssamband mellan dem och sjukdomar. Den sporadiska och varierande naturen hos mosaikmutationer gör att definitivt koppla dem till sjukdomar till ett komplicerat åtagande. Kollegor har varnat honom för att jaga väderkvarnar i ett uppdrag som McConnell själv beskriver som lite quixotisk.

Okända vatten

Strävan efter att förstå hur mosaikgenmutationer kan påverka psykiatriska sjukdomar sträcker sig mycket längre tillbaka än forskare som McConnells arbete. Han noterar att för decennier sedan människor hittade konstiga kromosomavvikelser i psykiatriska sjukdomar, till stor del i blodprover.

Men om du tittar på den historien kommer du att se att de som undersöker rollen av mosaikgenmönster i mental hälsa har haft falska startar. En av de tidigaste fallrapporterna dök upp för decennier sedan: våren 1959 började en 19-årig kvinna i södra England ta av papperet från väggarna i sitt nyinredda rum. En månad senare brände hon upp alla sina kläder och sprang iväg till kuststaden Brighton. Hennes oberäkneliga beteende intensifierades till den grad att hon lades in på ett psykiatriskt sjukhus, där läkare diagnostiserade henne med schizofreni. De undersökte hennes blod och letade efter de 46 upplindade kromosombuntarna inuti varje cell. Vad de hittade förvånade dem: ungefär en femtedel av hennes celler saknade en av de två X-kromosomer som kvinnor normalt bär. Kvinnans läkare var osäkra på om hennes mosaik var en faktor i hennes psykiatriska störning. Det finns en handfull andra fall av kvinnor som, liksom den brittiska patienten, saknade sitt andra X i vissa celler och som också hade schizofreni. Men länken förblir rena spekulationer.

Även om det fortfarande är för tidigt att säga hur mosaikgenmutationer i hjärnan kan påverka schizofreni, finns det en växande lista över hjärntillstånd där mosaik verkligen verkar ha en roll. Till exempel, en avgörande studie från 2012 av Harvard-genetikern Christopher Walsh och hans kollegor avslöjade bevis för att somatiska mutationer var grundorsaken till vissa former av epilepsi.

Relaterad berättelse

Varför känner du dig ensam? Neurovetenskapen börjar hitta svar. En neurovetares jakt på ensamhet kan hjälpa oss att bättre förstå kostnaderna för social isolering.

Den kanske största mängden data om genmosaik – och därför det mest lovande utvecklingsområdet – genereras från studier av autism. Olika forskargrupper, inklusive Walshs, har hittat bevis för att så många som 5% av barn med autismspektrumstörning har potentiellt skadliga mosaikmutationer. På senare tid, i januari, Walsh – tillsammans med konsortiummedlemmar som Rusty Gage – publicerade en studie upptäcker bevis för att vissa typer av mutationer uppstår vanligare hos personer med autism. De tittade på postmortem hjärnprover från 59 personer med autism och 15 neurotypiska individer för jämförelse, och fann att de i den första gruppen hade ett oväntat högt antal somatiska mutationer i de genetiska regioner som kallas förstärkare. Dessa regioner hjälper till att stimulera produktionen av gener, vilket fick forskarna att spekulera i att mosaikmutationer där kan öka en persons risk att utveckla autism.

Och även om hjärnceller inte anses aktivt dela sig som celler i andra vävnader, verkar de utvecklas till mer av en genetisk mosaik när vi åldras. Under 2018 analyserade teamet ledd av Walsh neuroner tagna från hjärnan på 15 personer mellan fyra månader och 82 år, samt nio personer med störningar kopplade till för tidigt åldrande. De drog slutsatsen att de somatiska förändringarna i DNA som skapar en mosaik ackumuleras långsamt men obönhörligt med åldern i den normala mänskliga hjärnan . En ny studie från Walshs grupp, som fortfarande genomgår peer review, tyder på att medan mänskliga neuroner börjar med hundratals sådana mutationer i varje genom, fortsätter mutationer att byggas upp med en hastighet av upp till 25 per år för livet. På grundval av detta beräknade han och hans lagkamrater att neuroner hos äldre individer innehåller någonstans mellan 1 500 och 2 500 mutationer per cell. Vi tror att detta är ett viktigt nytt sätt att se på åldrande och vanliga former av neurodegeneration som Alzheimers sjukdom, säger Walsh.

Brittiska forskare som specifikt letar efter somatiska varianter av gener förknippade med neurodegenerativa sjukdomar som Parkinsons och Alzheimers tyder på att en genomsnittlig vuxen har 100 000 till 1 miljon hjärnceller med patologiskt muterade gener . Nästa steg är att förstå om och hur dessa mutationer faktiskt utövar ett inflytande.

Att identifiera kopplingen mellan mosaiker i hjärnan och olika medicinska tillstånd handlar dock inte bara om att förklara hur dessa sjukdomar uppstår. Ett av de största förhoppningarna är att det kan hjälpa till att inleda nya terapeutiska metoder. Det händer redan med ett tillstånd, en ofta obehandlad form av epilepsi som kallas fokal kortikal dysplasi. Hjärnan hos individer med denna störning har kontrollampa fläckar av oorganiserade vävnadslager, och patienter genomgår ibland operation för att ta bort dessa hjärnområden i hopp om att minska sina anfall.

En studie publicerad 2018 av forskare vid Korea Advanced Institute of Science and Technology fann mosaikmutationer i dessa onormala hjärnfläckar som överstimulerade vissa cellsignaleringsvägar. Läkemedel som dämpar denna överaktivitet, kallade mTOR-hämmare, är värda ett försök , enligt forskare.

Jag tror att det till stor del är okända vatten, säger Orrin Devinsky, som leder ett pilotförsök för ett läkemedel för att behandla fokal kortikal dysplasi vid New York University Langone Medical Center. Det finns några områden där vi har gjort verkliga framsteg ... men jag tror att marken knappt har berörts med det större fältet.

På randen

Tjugo år efter att han började förblir Mike McConnell lika fascinerad som någonsin av frågan om hur genetiska mutationer som förvärvats efter befruktning eller födsel kan forma vårt beteende. Mitt intresse blev verkligen: Vad gör uteliggare? säger han, med den kaliforniska ton som han tog med sig tillbaka till östkusten. Vad gör två enäggstvillingar till helt olika människor?

Under hela den tiden har mycket förändrats. Han har gift sig och etablerat sig, han har vunnit utmärkelser från sådana som US National Academy of Medicine, och han är inte en utblottad student längre. Han bytte nyligen kust igen och flyttade sitt labb till Lieber Institute, som är hem för mer än 3 000 hjärnor - en av världens största samlingarna .

Och han tror att vi står på randen till ett genombrott.

Även om kopplingarna mellan mutationer och mentala tillstånd inte är avgörande, anser forskare inom området nu att de har samlat på sig en mängd data för att visa att genetiskt olika celler verkligen kan påverka vår hälsa. Hjärnsomatisk mosaicism har nått bevis för autism, epilepsi och hjärnans överväxtsjukdom, säger McConnell.

Bevisen fortsätter under tiden att samlas på att många människor har mycket mosaikhjärnor. En analys från 2018 tyder på att cirka 1 av 100 personer har skadlig mosaik genetisk skillnad som påverkar stora hjärnregioner. Med andra ord har de en del av hjärnceller som har en mutation som inte syns i omgivande celler. Men även om det finns allt starkare bevis för att mosaikgenmönster i hjärnan bidrar till epilepsi och autism, finns det ännu inte tillräckligt med data för att implicera dem i schizofreni.

McConnell har behållit tron ​​att studier av mänskliga hjärnor kommer att avslöja om någon smak av mosaikmutationer också bidrar till den sjukdomen - mutationer som kan peka mot nya behandlingar. Antingen kommer jag att ha ett eureka-ögonblick, eller så är det bara något som händer och det finns ingen tydlig koppling till sjukdom, säger han. Han är alltid optimisten och hoppas på att lyckas där andra har misslyckats genom att sortera igenom floden av genetiska data som strömmar in om hjärncellerna han analyserar. Om det finns en signal där, säger han, tror jag att jag kommer att se en antydan till det under det kommande året.

Roxanne Khamsi är en vetenskapsjournalist baserad i Montreal. Den här historien stöddes av ett rapporteringsbidrag genom Genetics and Human Agency Journalism Fellowship .

Dölj