Когнитивная геномика
![]() | Эту статью может потребовать очистки Википедии , чтобы она соответствовала стандартам качества . Конкретная проблема: читается как задание класса, содержит много ненужного материала (например, раздел о методах визуализации). ( Апрель 2015 г. ) |
Когнитивная геномика (или нейронативная геномика ) — это раздел геномики, относящийся к когнитивным функциям, в котором гены и некодирующие последовательности организма , генома связанные со здоровьем и активностью мозга . изучаются Применяя сравнительную геномику , геномы нескольких видов сравниваются с целью выявления генетических и фенотипических различий между видами. Наблюдаемые фенотипические характеристики, связанные с неврологическими функциями, включают поведение , личность , нейроанатомию и невропатологию . Теория, лежащая в основе когнитивной геномики, основана на элементах генетики , эволюционной биологии , молекулярной биологии , когнитивной психологии , поведенческой психологии и нейрофизиологии .
Интеллект — наиболее широко изучаемая поведенческая черта . [1] У человека примерно 70% всех генов экспрессируются в мозге. [2] Генетические вариации составляют 40% фенотипических вариаций. [3] Подходы когнитивной геномики использовались для исследования генетических причин многих психических и нейродегенеративных расстройств, включая синдром Дауна , большое депрессивное расстройство , аутизм и болезнь Альцгеймера .
Когнитивное геномное тестирование
[ редактировать ]Подходы
[ редактировать ]Эво-гено
[ редактировать ]Наиболее часто используемый подход к исследованию генома - это биологическая эволюционная геномика, или эво-гено, в которой сравниваются геномы двух видов, имеющих общего предка. [4] Типичным примером эво-гено является сравнительное тестирование когнитивной геномики между людьми и шимпанзе, у которых был общий предок 6-7 миллионов лет назад. [5] закономерности локальной экспрессии генов и сплайсинга генов Для определения геномной дифференциации исследуются . Сравнительный транскриптомный анализ, проведенный на мозге приматов для измерения уровней экспрессии генов, показал значительные различия между геномами человека и шимпанзе. [4] Эво-геноподход также использовался для проверки теории о том, что люди и приматы, кроме человека, имеют одинаковые уровни экспрессии генов, связанных с энергетическим метаболизмом, которые имеют значение для старения и нейродегенеративных заболеваний. [4]
Эво-дево
[ редактировать ]Подход эволюционной биологии развития (эво-дево) сравнивает когнитивные и нейроанатомические модели развития между наборами видов. Исследования мозга плода человека показывают, что почти треть экспрессируемых генов являются регионально дифференцированными, что намного больше, чем у видов, не относящихся к человеку. [4] Это открытие потенциально может объяснить различия в когнитивном развитии между людьми. Нейроанатомические исследования эво-дево связали более высокий порядок мозга с латерализацией мозга , которая, хотя и присутствует у других видов, высоко упорядочена у людей.
Эво-фено и эво-пато
[ редактировать ]Подход эволюционной фенотипической биологии (эво-фено) исследует проявление фенотипа между видами. Подход биологии эволюционной патологии (эво-пато) исследует распространенность болезней между видами.
Геномика изображений
[ редактировать ]Выбор гена-кандидата
[ редактировать ]В геномике ген, который визуализируется и анализируется, называется геном-кандидатом. Идеальными генами-кандидатами для сравнительного геномного тестирования являются гены, которые несут четко определенные функциональные полиморфизмы с известным влиянием на нейроанатомические и/или когнитивные функции. [2] Однако достаточно генов с выявленным однонуклеотидным полиморфизмом или аллельными вариациями с потенциальными функциональными последствиями для нейроанатомических систем. [2] Чем слабее связь между геном и фенотипом, тем сложнее установить причинно-следственную связь путем тестирования. [2]
Контроль негенетических факторов
[ редактировать ]Негенетические факторы, такие как возраст, болезнь, травма или злоупотребление психоактивными веществами, могут оказывать существенное влияние на экспрессию генов и фенотипическую вариативность. [2] Идентификация и вклад генетических вариаций в конкретные фенотипы могут быть выполнены только тогда, когда другие потенциальные способствующие факторы могут быть сопоставлены между группами генотипов. [2] В случае нейровизуализации во время выполнения задания, например, при фМРТ, группы сопоставляются по уровню производительности. Негенетические факторы оказывают особенно большое потенциальное влияние на когнитивное развитие. В случае аутизма негенетические факторы составляют 62% риска заболевания. [6]
Выбор задачи
[ редактировать ]Чтобы изучить связь между геном-кандидатом и предполагаемым фенотипом, субъекту часто дают задание, которое выявляет поведенческий фенотип, во время прохождения той или иной формы нейровизуализации . Многие поведенческие задачи, используемые в геномных исследованиях, представляют собой модифицированные версии классических поведенческих и нейропсихологических тестов, предназначенных для исследования нейронных систем, критически важных для определенного поведения. [2]
Виды, используемые в сравнительной когнитивной геномике
[ редактировать ]Люди
[ редактировать ]В 2003 году в рамках проекта «Геном человека» был получен первый полный геном человека. [7] Несмотря на успех проекта, об экспрессии когнитивных генов известно очень мало. [8] До 2003 года любые доказательства связи человеческого мозга основывались на посмертных наблюдениях. [9] По этическим соображениям инвазивные исследования геномики in vivo на живых людях не проводились. [ нужна ссылка ]
Нечеловеческие приматы
[ редактировать ]Будучи ближайшими генетическими родственниками человека, приматы, кроме человека, являются наиболее предпочтительными объектами геномной визуализации. В большинстве случаев приматов визуализируют под наркозом . [8] Из-за высокой стоимости выращивания и поддержания популяций приматов геномное тестирование на приматах, кроме человека, обычно проводится в исследовательских центрах по изучению приматов.
Шимпанзе
[ редактировать ]Шимпанзе ( Pan troglodytes ) являются ближайшими генетическими родственниками человека , их генетическое сходство составляет 93,6%. [10] Считается, что люди и шимпанзе имели общего генетического предка около 7 миллионов лет назад. [8] Движение по секвенированию генома шимпанзе началось в 1998 году и получило высокий приоритет со стороны Национальных институтов здравоохранения США (NIH). [11]
В настоящее время у человека и шимпанзе есть единственные секвенированные геномы в расширенном семействе приматов. [12] Некоторые сравнения аутосомно-межгенных неповторяющихся сегментов ДНК позволяют предположить, что генетическая разница между людьми и шимпанзе на определенных участках составляет всего лишь 1,24%. [13] Несмотря на генетическое сходство, 80% белков у этих двух видов различны, что занижает явные фенотипические различия. [14]
Макаки-резусы
[ редактировать ]Макаки-резусы ( Macaca mulatta ) демонстрируют генетическое сходство с человеком примерно на 93%. [15] Их часто используют в качестве сторонней группы в геномных исследованиях человека/шимпанзе. [8] Люди и макаки-резусы имели общего предка примерно 25 миллионов лет назад. [5]
Орангутаны ( Pongo pygmaeus ) и гориллы ( Gorilla gorilla ) использовались в геномных тестах, но не являются обычными объектами из-за стоимости. [8]
Нейроповеденческие и когнитивные расстройства
[ редактировать ]Несмотря на то, что иногда сообщается, большинство поведенческих или патологических фенотипов обусловлены не мутацией одного гена , а скорее сложной генетической основой. [16] Однако из этого правила есть некоторые исключения, например болезнь Хантингтона , вызванная одним конкретным генетическим заболеванием. [16] На возникновение нейроповеденческих расстройств влияет ряд факторов, как генетических, так и негенетических.
Синдром Дауна
[ редактировать ]Синдром Дауна — это генетический синдром, характеризующийся умственной отсталостью и отчетливыми черепно-лицевыми особенностями и встречающийся примерно у 1 из 800 живорождений. [17] Эксперты полагают, что генетической причиной синдрома является отсутствие генов в 21-й хромосоме . [17] Однако ген или гены, ответственные за когнитивный фенотип, еще не обнаружены.
Синдром ломкой Х-хромосомы
[ редактировать ]Синдром ломкой Х-хромосомы вызван мутацией гена FRAXA, расположенного в Х-хромосоме . [17] Синдром характеризуется умственной отсталостью (умеренной у мужчин, легкой у женщин), языковой недостаточностью и некоторыми проявлениями аутистического спектра . [17]
болезнь Альцгеймера
[ редактировать ]Болезнь Альцгеймера — нейродегенеративное заболевание, которое вызывает прогрессирующее снижение когнитивных функций, связанное с возрастом. [17] на животных моделях с использованием мышей исследовали патофизиологию и предложили возможные методы лечения, такие как иммунизация бета -амилоидом и периферическое введение антител против бета-амилоида. [17] Исследования связали болезнь Альцгеймера с изменениями генов, вызывающими аномалии белка SAMP8 . [18]
Аутизм
[ редактировать ]Аутизм — это распространенное расстройство развития, характеризующееся аномальным социальным развитием, неспособностью сопереживать и эффективно общаться, а также ограниченными интересами. [17] Возможная нейроанатомическая причина — наличие бугров в височной доле. [17] Как упоминалось ранее, негенетические факторы ответственны за 62% риска развития аутизма. [6] Аутизм – это специфическое для человека расстройство. Таким образом, генетическая причина связана с высокоупорядоченной латерализацией мозга, наблюдаемой у людей. [4] Два гена связаны с аутизмом и расстройствами аутистического спектра (РАС): c3orf58 (он же «удаленный при аутизме-1» или DIA1) и cXorf36 (он же «удаленный при аутизме-1» или DIA1R). [19]
Большое депрессивное расстройство
[ редактировать ]Большое депрессивное расстройство — это распространенное расстройство настроения, которое, как полагают, вызвано нерегулярным нейрональным поглощением серотонина . Хотя генетическая причина неизвестна, геномные исследования посмертного мозга с БДР выявили аномалии в системе факторов роста фибробластов , что подтверждает теорию о том, что факторы роста играют важную роль в расстройствах настроения. [20]
Другие
[ редактировать ]Другие нейродегенеративные расстройства включают синдром Ретта , синдром Прадера-Вилли , синдром Ангельмана и синдром Вильямса-Бойрена .
См. также
[ редактировать ]- Нейрогенетика
- Сравнительная геномика
- Когнитивная психология
- Поведенческая генетика
- Нейроанатомия
- Наследственность IQ
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пломин, Роберт; Спинат, Фрэнк М. (январь 2004 г.). «Интеллект: генетика, гены и геномика». Журнал личности и социальной психологии . 86 (1): 112–129. CiteSeerX 10.1.1.525.3970 . дои : 10.1037/0022-3514.86.1.112 . ПМИД 14717631 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Харири, Ахмад Р.; Вайнбергер, Дэниел Р. (март 2003 г.). «Визуальная геномика» . Британский медицинский бюллетень . 65 (1): 259–270. дои : 10.1093/bmb/65.1.259 . ПМИД 12697630 .
- ^ Пломин, Роберт; Спинат, Фрэнк М. (январь 2004 г.). «Интеллект: генетика, гены и геномика» (PDF) . Журнал личности и социальной психологии . 86 (1): 112–129. дои : 10.1037/0022-3514.86.1.112 . ПМИД 14717631 . S2CID 5734393 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 июля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Конопка, Женевьева; Гешвинд, Дэниел Х. (21 октября 2010 г.). «Эволюция человеческого мозга: использование (R) эволюции геномики для связи генов, познания и поведения» . Нейрон . 68 (2): 231–244. дои : 10.1016/j.neuron.2010.10.012 . ПМЦ 2993319 . ПМИД 20955931 .
- ^ Jump up to: а б Касерес, Марио; Лашуэр, Джоэл; Запала, Мэтью А.; Редмонд, Джон К.; Кудо, Лили; Гешвинд, Дэниел Х.; Локхарт, Дэвид Дж.; Пройсс, Тодд М.; Барлоу, Кэрроли (28 октября 2003 г.). «Повышенные уровни экспрессии генов отличают мозг человека от мозга приматов» . Труды Национальной академии наук . 100 (22): 13030–13035. Бибкод : 2003PNAS..10013030C . дои : 10.1073/pnas.2135499100 . ПМК 240739 . ПМИД 14557539 .
- ^ Jump up to: а б Дигитале, Эрин (4 июля 2011 г.). «Негенетические факторы играют удивительно большую роль в определении аутизма, говорится в групповом исследовании» . Стэнфордская медицинская школа Стэнфордского университета.
- ^ «Часто задаваемые вопросы по проекту генома человека» . Национальный институт исследования генома человека .
- ^ Jump up to: а б с д и Интервью с Тоддом Пройссом, доктором философии, Национальный центр исследования приматов Йеркса [ ненадежный источник? ]
- ^ Беренс, TEJ; Йохансен-Берг, Х; Вулрич, Миссури; Смит, С.М.; Уиллер-Кингшотт, CAM; Булби, Пенсильвания; Баркер, Дж.Дж.; Силлери, Эль; Шихан, К; Сиссарелли, О; Томпсон, Эй Джей; Брэди, Дж. М.; Мэтьюз, премьер-министр (15 июня 2003 г.). «Неинвазивное картирование связей между таламусом и корой головного мозга человека с использованием диффузной визуализации». Природная неврология . 6 (7): 750–757. дои : 10.1038/nn1075 . ПМИД 12808459 . S2CID 827480 .
- ^ Коэн, Джон (7 июня 2007 г.). «Относительные различия: миф об 1%». Наука . 316 (5833): 1836. doi : 10.1126/science.316.5833.1836 . ПМИД 17600195 . S2CID 84106299 .
- ^ Олсон, Мейнард В.; Варки, Аджит (январь 2003 г.). «Секвенирование генома шимпанзе: понимание эволюции человека и болезней». Обзоры природы Генетика . 4 (1): 20–28. дои : 10.1038/nrg981 . ПМИД 12509750 . S2CID 205486561 .
- ^ Гудман, Моррис; Гроссман, Лоуренс И.; Уайлдман, Дерек Э. (сентябрь 2005 г.). «Выход геномики приматов за пределы генома шимпанзе». Тенденции в генетике . 21 (9): 511–517. дои : 10.1016/j.tig.2005.06.012 . ПМИД 16009448 .
- ^ Чен, Фэн-Чи; Ли, Вэнь-Сюн (2001). «Геномные различия между людьми и другими гоминоидами и эффективный размер популяции общего предка человека и шимпанзе» . Американский журнал генетики человека . 68 (2): 444–456. CiteSeerX 10.1.1.329.720 . дои : 10.1086/318206 . ПМЦ 1235277 . ПМИД 11170892 .
- ^ Глазко, Галина; Вирамачанени, Вамси; Нэй, Масатоши; Макаловский, Войцех (февраль 2005 г.). «Восемьдесят процентов белков у людей и шимпанзе различаются». Джин . 346 : 215–219. дои : 10.1016/j.gene.2004.11.003 . ПМИД 15716009 .
- ^ «Последовательность ДНК макаки-резуса имеет эволюционное и медицинское значение» (пресс-релиз). Медицинский колледж Бэйлора. 12 апреля 2007 г.
- ^ Jump up to: а б Макгаффин, Питер; Райли, Брайен; Пломин, Роберт (16 февраля 2001 г.). «На пути к поведенческой геномике». Наука . 291 (5507): 1232–1249. дои : 10.1126/science.1057264 . ПМИД 11233447 . S2CID 83900633 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Фиш, Джин С. (2003). Генетика и геномика нейроповеденческих расстройств . Хумана Пресс. стр. 3–19. doi : 10.1007/978-1-59259-353-8_1 (неактивен 31 января 2024 г.). ISBN 978-1-59259-353-8 .
{{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ) - ^ Баттерфилд, Д; Пун, Х. (октябрь 2005 г.). «Мышь, склонная к ускоренному старению (SAMP8): модель возрастного снижения когнитивных функций, имеющая отношение к изменениям экспрессии генов и белковым аномалиям при болезни Альцгеймера». Экспериментальная геронтология . 40 (10): 774–783. CiteSeerX 10.1.1.313.4638 . дои : 10.1016/j.exger.2005.05.007 . ПМИД 16026957 . S2CID 15860658 .
- ^ Азиз, Ажари; Харроп, Шон П.; Епископ, Наоми Э. (19 января 2011 г.). «Характеристика семейства удаленных при аутизме 1 белков: значение для изучения когнитивных расстройств» . ПЛОС ОДИН . 6 (1): e14547. Бибкод : 2011PLoSO...614547A . дои : 10.1371/journal.pone.0014547 . ПМК 3023760 . ПМИД 21283809 .
- ^ Никулеску, Александр Б (2005). «Геномные исследования расстройств настроения – мозг как мышца?» . Геномная биология . 6 (4): 215. doi : 10.1186/gb-2005-6-4-215 . ПМЦ 1088952 . ПМИД 15833130 .