《PNAS》令人兴奋！大脑表观遗传无创成像技术

伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的一个多学科团队设计了一种新的3D成像方法，可以捕捉DNA甲基化，这是一种与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很容易应用到人类身上，因为这种新方法依赖于标准的核磁共振技术和已经在人类医学中使用的生物标记物。

　　

   

   

该团队包括(左起)化学教授Scott Silverman；昆虫学教授Gene Robinson；生物工程教授Fan Lam；动物学教授Ryan Dilger，电子计算机工程教授Zhi-Pei Liang

表观遗传学是基因表达调控的关键机制。研究人员说，这种被称为表观遗传核磁共振成像(eMRI)的新方法将为研究这些变化如何塑造大脑开辟新的途径，使其能够生长、学习和应对压力。这项技术也可能在阿尔茨海默病等神经退化过程的研究中有用。

研究结果发表在《PNAS》上。

“我们的DNA从一个细胞到另一个细胞都是一样的，它不会改变，” King Li博士说。“但甲基等微小分子附着在DNA骨架上，以调节哪些基因被转录成RNA和翻译成蛋白质。DNA甲基化是控制基因功能的一个非常重要的部分。”

Robinson说，先前的研究表明，当动物对环境做出反应时，DNA甲基化是大脑中发生的几种表观遗传变化之一。Robinson是伊利诺斯州的昆虫学教授，研究蜜蜂的基因组学、经验和行为之间的相互作用。他的研究表明，随着蜜蜂的成熟、在蜂巢中角色的改变、遇到新的食物来源或对威胁作出反应，它们大脑中的许多基因都会上调或下调。

在大脑中有两个控制系统，在不同的时间尺度上运行，Robinson说。神经元和其他脑细胞在几秒或几毫秒内对环境信号作出反应，而基因表达的变化需要更长的时间。例如，当一只蜜蜂遇到威胁时，它必须立即采取行动。它依赖于神经元快速激活，并允许它采取防御行动。但蜜蜂的大脑甚至在威胁消失后仍会继续做出反应，通过基因表达的变化为未来的潜在威胁做好准备。

“我们正专注于第二个控制系统，分子控制系统，它依赖于基因表达，”Robinson说。“这些变化可能只需要几分钟，但可能会持续几个小时、几天甚至更长时间。”

科学家们一直无法精确捕捉活体大脑随时间发生的分子变化。早期对蜜蜂和其他生物的表观遗传学研究需要去除大脑组织或解剖动物进行分析。先前在人类大脑中进行的一项研究显示，一种酶参与调节一种表观遗传变化，但并没有直接针对这种表观遗传变化。伊利诺斯州的研究小组希望利用核磁共振成像技术直接成像活体受试者的表观遗传变化。

对于新方法，团队依赖于一个关键的发现:Li博士意识到一种必需的氨基酸，蛋氨酸，可以携带一种被称为碳-13的原子标记进入大脑，在那里它可以提供DNA甲基化所需的碳-13标记的甲基。这个过程将用一种罕见的碳同位素标记DNA。碳-13自然存在于人体中，但它的姐妹同位素碳-12含量要丰富得多，他说，活组织中约99%的碳都是碳-12。

蛋氨酸必须通过饮食来获得，因此研究小组决定验证这个想法，即喂养碳13标记的蛋氨酸来研究对象，可以让它进入大脑，并标记那些正在发生甲基化的区域。

“当我们开始这个项目的时候，我们认为它可能会失败，”Lam说，他和伊利诺斯州化学教授Scott Silverman合作开发了一种方法来区分甲基化的DNA和大脑中的其他甲基化分子。“但它的潜力太令人兴奋了，我们不得不尝试。”

之前的研究已经表明，核磁共振成像可以成像碳-13，而口服碳-13已经在人体实验中使用了几十年。但是活体动物发出的碳-13信号是微弱的，所以Lam和密歇根大学电子与计算机工程教授梁志培依靠他们在磁共振成像和磁共振波谱学方面的专业知识来显著增强eMRI信号。

研究小组首先在啮齿动物身上尝试了这种方法，然后转到小猪身上，小猪的大脑更大，更像人类的大脑。为此，他们依赖于合著者瑞安·迪尔格(Ryan Dilger)的专业知识。Dilger是伊利诺斯州的动物科学教授，专门研究影响猪神经发育的因素。

“这个项目是高度跨学科的，”Lam说。“我们的团队有工程师、成像和放射学专家，以及在临床应用方面有很强背景的人。我们还拥有营养科学、动物科学、化学和基因组学方面的专家。”

在对喂食含有碳13标记的蛋氨酸的小猪进行的实验中，研究人员发现，核磁共振成像可以检测到大脑中碳13标记的甲基群不断增加的信号。进一步的分析使他们能够将DNA上的甲基基团与其他甲基化分子区分开来。

小猪在出生几周后，大脑中出现了比出生时更多的新DNA甲基化，而且仅从体型变化来看，这种增加远远大于预期。

“这一发现非常令人鼓舞，因为它反映了我们希望看到的，如果这个信号是环境响应的，”Li说。“从动物研究中得知，大脑中与学习和记忆有关的区域经历了更多的表观遗传变化。猪大脑的DNA甲基化也存在区域差异，就像经典的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。把这个标签植入大脑很容易，而且对身体没有任何伤害。我们将通过饮食给人们注射这种药物，然后我们就能检测到这种信号。”

他说，他们首次将这种方法应用于比较患有和没有神经退行性疾病的人的大脑的研究。

pigenetic MRI: Noninvasive imaging of DNA methylation in the brain