Informacja

Jaka jest odziedziczalność giryfikacji mózgu?

Jaka jest odziedziczalność giryfikacji mózgu?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mózgi ssaków ze złożoną korą nową nie mają identycznych wzorów fałdowania u tego samego gatunku.

Czy dwie genetycznie identyczne osobniki jednego gatunku mają ten sam wzór zakręcenia mózgu (tj. fałdy/zmarszczki)? A może są inne przyczyny?


Krótka odpowiedź:

Genetycznie identyczne osobniki nie mają identycznej struktury mózgu.

Dłuższa odpowiedź:

Najłatwiejszym sposobem odpowiedzi na twoje pytanie jest przyjrzenie się „naturalnym” klonom: bliźniakom jednojajowym (tj. „identycznym”).

Morfologia mózgu jest bardzo interesująca w neuronauce, ponieważ różnice w morfologii mózgu są często mylącymi czynnikami w badaniach nad ludzkim mózgiem (na przykład przy użyciu MRI/fMRI).

Odniosę się do badania przeprowadzonego przez White et al., 2002. Badali oni pomiary morfologii wolumetrycznej i powierzchniowej u bliźniąt jednojajowych. Odkryli niezwykle silne korelacje w całkowitej objętości (wartości r 0,98- 0,99 dla takich pomiarów jak całkowita objętość mózgu, objętość mózgu, istota szara mózgu/istota biała i móżdżek) i nadal silne korelacje z różnymi płatami kory mózgowej ( wartości r od 0,69 do 0,97 dla czołowej/ciemieniowej/skroniowej/potylicznej istoty szarej i białej).

Jednak miary powierzchni: pole powierzchni, krzywizna zakrętów i bruzd oraz złożoność powierzchni były słabiej skorelowane (wartości r od 0,49 do 0,69).

Oczywiście, ponieważ są to bliźnięta jednojajowe wychowywane razem, trudno powiedzieć, ile podobieństw wynika ze wspólnego środowiska, a także ze wspólnej genetyki. Jest jednak jasne, że mózgi bliźniąt jednojajowych nie są identyczne, a w szczególności ich mózgi wydają się bardziej różnić w miarach struktury powierzchni korowej niż ogólnej wielkości mózgu. Autorzy piszą:

Wiele różnych rodzajów niegenetycznych wpływów może przyczyniać się do plastyczności cech powierzchni korowej, takich jak doświadczenia edukacyjne, aktywność fizyczna lub interakcje społeczne. Ponadto zdarzenia probabilistyczne podczas złożonego procesu neurorozwoju [m.in. połączenia między neuronami (Muller et al., 1997)], różnice w ekspresji genów przypadkowo lub modulowane przez geny wczesnej bezpośredniej reakcji (Abraham et al., 1993; Worley et al., 1993) lub zmienność w interakcjach komórka-komórka (Fletcher i wsp., 1991) mogą również przyczyniać się do zmienności między bliźniętami MZ.


Bibliografia

White, T., Andreasen, NC i Nopoulos, P. (2002). Objętość mózgu i morfologia powierzchni u bliźniąt jednojajowych. Kora mózgowa, 12(5), 486-493.


Mówisz „kopiowanie” (pytanie zostało edytowane)

Witamy w Biology.SE. CC (oznacza Copy Cat) to imię sklonowanego kota. Nigdy nie mówimy „kopiowanie”, mówimy „klonowanie”.

Klonowanie w naturze (pytanie zostało edytowane)

Zauważ, że klonowanie niekoniecznie jest procesem ludzkim. Wiele zwierząt (w tym zwierzęta posiadające mózg, ale z wyłączeniem wszystkich ssaków) klonuje się. Zobacz wiki>partenogeneza

Przeformułowanie pytania (pytanie zostało edytowane)

Możemy przeformułować Twoje pytanie jako

Jaka jest dziedziczność giryfikacji mózgu?

Jeśli nie jest jasne, dlaczego to przeformułowanie twojego pytania miałoby być poprawne, zechcesz rzucić okiem na ten post.

Odpowiedź

Wydaje się, że rzeczywiście istnieją czynniki genetyczne wpływające na gyri (White et al. 2010). Zazwyczaj wydaje się, że szlaki sygnalizacyjne czynnik wzrostu fibroblastów (FGF) i sonicowego jeża (SHH) wpływają na gyri (Rash i wsp. 2013; Wang i wsp. 2016).


Genetyka pierwotnego zakręcenia mózgu: dziedziczność długości, głębokości i powierzchni pierwotnych bruzd w rozszerzonym rodowodzie pawianów Papio

Genetyczna kontrola nad zmiennością morfologiczną pierwotnych bruzd i zakrętów jest przedmiotem dużego zainteresowania neuronauk ewolucyjnych, rozwojowych i klinicznych. Struktury pierwotne pojawiają się na wczesnym etapie rozwoju i uważa się, że ich morfologia jest związana z różnicowaniem neuronów, rozwojem połączeń funkcjonalnych i lateralizacją korową. Zmierzyliśmy proporcjonalny wkład genetyki i środowiska w zmienność regionalną, testując dwie teorie dotyczące regionalnej modulacji wpływów genetycznych przez czynniki ontogeniczne i fenotypowe. Nasze pomiary obejmowały powierzchnię oraz średnią długość i głębokość jedenastu pierwotnych bruzd korowych z obrazów MR o wysokiej rozdzielczości u 180 pawianów rodowodowych. Średnie wartości odziedziczalności dla powierzchni bruzdy, głębokości i długości (h(2)(powierzchnia)=0,38+/-,22 h(2)(głębokość)=0,42+/-,23 h(2)(długość)=. 34+/-.22) wskazuje, że regionalna anatomia korowa jest pod kontrolą genetyczną. Regionalny wzorzec wkładu genetycznego był złożony i, w przeciwieństwie do wcześniej proponowanych teorii, nie zależał od głębokości sulcalu ani od kolejności pojawiania się struktur podczas rozwoju. Nasze wyniki sugerują, że dziedziczność fenotypów bruzdowych może być modulowana regionalnie przez układy łukowatych włókien U. Jednak konieczne są dalsze badania, aby odkryć złożoność wkładu genetycznego w morfologię kory.

Copyright 2009 Elsevier Inc. Wszelkie prawa zastrzeżone.

Figury

Dane strukturalne MRI zostały przetworzone…

Dane strukturalne MRI zostały przetworzone przy użyciu potoku morfometrycznego opartego na obiektach. Magowie mózgu byli przetwarzani za pomocą…

Panel górny: jedenaście bruzd korowych…

Panel górny: do analizy wykorzystano jedenaście bruzd korowych (tab. 1). Na dole…

Dziedziczność dla obszaru brodawki (góra,…

Dziedziczność dla obszaru brodawki (góra, Δ, linia ciągła), długość brodawki (środek, ○, linia przerywana…

Odziedziczalność obszaru bruzdowego (Δ,…

Dziedziczność dla obszaru brodawki (Δ, linia ciągła), długości brodawki (○, linia przerywana) i…


Genetyka pierwotnego zakręcenia mózgu: dziedziczność długości, głębokości i powierzchni pierwotnych bruzd w rozszerzonym rodowodzie pawianów Papio

Genetyczna kontrola nad zmiennością morfologiczną pierwotnych bruzd i zakrętów jest przedmiotem dużego zainteresowania neuronauk ewolucyjnych, rozwojowych i klinicznych. Struktury pierwotne pojawiają się na wczesnym etapie rozwoju i uważa się, że ich morfologia jest związana z różnicowaniem neuronów, rozwojem połączeń funkcjonalnych i lateralizacją korową. Zmierzyliśmy proporcjonalny wkład genetyki i środowiska w zmienność regionalną, testując dwie teorie dotyczące regionalnej modulacji wpływów genetycznych przez czynniki ontogeniczne i fenotypowe. Nasze pomiary obejmowały powierzchnię oraz średnią długość i głębokość jedenastu pierwotnych bruzd korowych z obrazów MR o wysokiej rozdzielczości u 180 pawianów rodowodowych. Średnie wartości odziedziczalności dla powierzchni bruzdy, głębokości i długości (h 2 Powierzchnia = .38 ± .22 h 2 Głębokość = .42 ± .23 h 2 Długość = 0,34 ± 0,22) wskazuje, że regionalna anatomia korowa jest pod kontrolą genetyczną. Regionalny wzorzec wkładu genetycznego był złożony i, w przeciwieństwie do wcześniej proponowanych teorii, nie zależał od głębokości sulcalu ani od kolejności pojawiania się struktur podczas rozwoju. Nasze wyniki sugerują, że dziedziczność fenotypów bruzdowych może być modulowana regionalnie przez układy łukowatych włókien U. Jednak konieczne są dalsze badania, aby odkryć złożoność wkładu genetycznego w morfologię kory.


O architekturze genetycznej fałdowania kory i objętości mózgu u naczelnych

Zrozumienie sił ewolucyjnych, które wytworzyły ludzki mózg, jest głównym problemem w neuronauce i biologii człowieka. Porównania między gatunkami naczelnych pokazują, że zarówno objętość mózgu, jak i zwiotczenie (stopień fałdowania w korze mózgowej) stopniowo wzrastały podczas ewolucji naczelnych i istnieje silna pozytywna korelacja między tymi dwiema cechami u różnych gatunków naczelnych. Mózg ludzki jest wyjątkowy wśród naczelnych zarówno pod względem całkowitej objętości, jak i żyryfikacji, dlatego zrozumienie mechanizmów genetycznych wpływających na zmienność tych cech poprawi nasze zrozumienie przełomowej cechy naszego gatunku. Tutaj pokazujemy, że indywidualna zmienność gyryfikacji jest znacząco dziedziczna zarówno u ludzi, jak i u małp Starego Świata (pawiany, Papio hamadryas). Co więcej, wbrew oczekiwaniom opartym na pozytywnej korelacji fenotypowej między gatunkami, genetyczną korelację między objętością mózgu a żyryfikacji zarówno u ludzi, jak i pawianów szacuje się jako ujemną. Wyniki te sugerują, że pozytywnego związku między objętością mózgu a fałdowaniem korowym u różnych gatunków nie można wyjaśnić jednym zestawem presji selekcyjnych lub zmian genetycznych. Nasze dane sugerują, że jeden zestaw nacisków selekcyjnych sprzyjał stopniowemu wzrostowi objętości mózgu, udokumentowanemu w zapisie kopalnym naczelnych, i że drugi niezależny proces selekcyjny, prawdopodobnie związany z porodem i wielkością mózgu noworodka, mógł faworyzować mózgi o coraz większym fałdowaniu kory. Bez drugiej oddzielnej presji selekcyjnej można by oczekiwać, że dobór naturalny sprzyjający zwiększonej objętości mózgu wytworzy mniej pofałdowane, bardziej lissencephalic mózgi. Wyniki te dostarczają wstępnych dowodów na dziedziczność gyryfikacji i być może nowego spojrzenia na mechanizmy ewolucyjne leżące u podstaw długoterminowych zmian w mózgu naczelnych innych niż człowiek.

Ci dwaj autorzy w równym stopniu przyczynili się do powstania tego artykułu.

Obecny adres: Centrum Sekwencjonowania Genomu Ludzkiego, Baylor College of Medicine, One Baylor Plaza, Houston, TX 77030, USA.


O architekturze genetycznej fałdowania kory i objętości mózgu u naczelnych

Zrozumienie sił ewolucyjnych, które wytworzyły ludzki mózg, jest głównym problemem w neuronauce i biologii człowieka. Porównania między gatunkami naczelnych pokazują, że zarówno objętość mózgu, jak i zwiotczenie (stopień fałdowania w korze mózgowej) stopniowo wzrastały podczas ewolucji naczelnych i istnieje silna pozytywna korelacja między tymi dwiema cechami u różnych gatunków naczelnych. Mózg ludzki jest wyjątkowy wśród naczelnych zarówno pod względem całkowitej objętości, jak i żyryfikacji, dlatego zrozumienie mechanizmów genetycznych wpływających na zmienność tych cech poprawi nasze zrozumienie przełomowej cechy naszego gatunku. Tutaj pokazujemy, że indywidualna zmienność gyryfikacji jest znacząco dziedziczna zarówno u ludzi, jak i u małp Starego Świata (pawiany, Papio hamadryas). Co więcej, wbrew oczekiwaniom opartym na pozytywnej korelacji fenotypowej między gatunkami, genetyczną korelację między objętością mózgu a żyryfikacji zarówno u ludzi, jak i pawianów szacuje się jako ujemną. Wyniki te sugerują, że pozytywnego związku między objętością mózgu a fałdowaniem korowym u różnych gatunków nie można wyjaśnić jednym zestawem presji selekcyjnych lub zmian genetycznych. Nasze dane sugerują, że jeden zestaw nacisków selekcyjnych sprzyjał stopniowemu wzrostowi objętości mózgu, udokumentowanemu w zapisie kopalnym naczelnych, i że drugi niezależny proces selekcyjny, prawdopodobnie związany z porodem i wielkością mózgu noworodka, mógł faworyzować mózgi o coraz większym fałdowaniu kory. Bez drugiej oddzielnej presji selekcyjnej można by oczekiwać, że dobór naturalny sprzyjający zwiększonej objętości mózgu wytworzy mniej pofałdowane, bardziej lissencephalic mózgi. Wyniki te dostarczają wstępnych dowodów na dziedziczność gyryfikacji i prawdopodobnie nowego spojrzenia na mechanizmy ewolucyjne leżące u podstaw długoterminowych zmian w mózgu naczelnych innych niż człowiek.

Ci dwaj autorzy w równym stopniu przyczynili się do powstania tego artykułu.

Obecny adres: Centrum Sekwencjonowania Genomu Ludzkiego, Baylor College of Medicine, One Baylor Plaza, Houston, TX 77030, USA.


1. Wstęp

Tworzenie się fałdowania korowego jest wysoce powtarzalne w obrębie gatunku, z niewielkimi różnicami osobniczymi (Rakic, 2009). Jednak cele fałdowania korowego na przestrzeni życia są nadal nieznane. Historycznie uważano, że stopień gyryfikacji ludzkiego mózgu odzwierciedla potrzebę zwiększenia SA bez nieproporcjonalnego zwiększania rozmiaru głowy (np. Armstrong i in., 1995 Reillo i in., 2011). Wysunięto różne teorie wyjaśniające wzory fałdowania korowego. Może to być na przykład sposób na poprawę łączności poprzez zmniejszenie odległości między regionami (przegląd gyryfikacji i łączności, patrz Zilles i in., 2013) lub zmniejszenie długości aksonów między obszarami korowymi (Van Essen, 1997 dla przegląd patrz White & Hilgetag, 2011). Wydaje się również prawdopodobne, że ulepszona łączność zapewnia sposób na zwiększenie zdolności poznawczych. Badania naczelnych wydają się zgodne z tą hipotezą. Na przykład badania na naczelnych wykazały, że większe mózgi zwiększyły fałdowanie w stosunku do mniejszych mózgów (np. Rilling & Insel, 1999), a wśród nowszych naczelnych ewolucja okazała się rosła szybciej niż dotychczas. wielkość mózgu (Zilles, 1989). W konsekwencji stopień gyryfikacji może odzwierciedlać zmiany poznawcze najbardziej charakterystyczne dla ludzkich naczelnych i może modulować inteligencję u ludzi.

Fałdowanie, a w konsekwencji ekspansja powierzchni kory mózgowej, wydaje się być ważnym czynnikiem wpływającym na zdolności poznawcze ssaków (przegląd, patrz Sun & Hevner, 2014). Ogólnie rzecz biorąc, istnieją zbieżne linie dowodowe zgodne z różnicową ekspansją będącą mechanizmem gyryfikacji, idea łączności jako podstawowej funkcji gyryfikacji generalnie nie została poparta (Sun & Hevner, 2014 Ronan i in., 2014 w odniesieniu do modelowania badań wzrosła grubość kory bez zwisania, patrz Murre & Sturdy, 1995 i Ruppin i wsp., 1993). Spośród niewielkiej liczby opublikowanych do tej pory badań gyryfikacji fenotyp był badany głównie w odniesieniu do zaburzeń neuropsychiatrycznych, takich jak choroba Alzheimera, autyzm, zespół velocardial face i schizofrenia (Liu i wsp., 2012 Wallace i wsp., 2013 Schaer i wsp., 2013 Kates i wsp., 2009 Schaer i wsp., 2006 Palaniyappan i wsp., 2012 Nanda i wsp., 2013). Wallace i in. (2013) stwierdzili, że chociaż przypadki ze spektrum autyzmu nie różniły się od kontroli w SA, wykazywały one obustronnie znaczny wzrost zakręcenia tylnego. Grupa ta stwierdziła, że ​​brak związku gyrification-SA może odzwierciedlać fenotypy dysocjacyjne rozwojowo, a wzrost gyryfikacji może prowadzić do pewnych zdolności poznawczych obserwowanych u osób z zaburzeniami ze spektrum autyzmu. Żyryfikacja była również ujemnie związana z psychozą i zespołem delecji 22q11 (np. Palaniyappan i in., 2012 Nanda i in., 2013 Schaer i in., 2006), oba stany genetyczne charakteryzujące się wieloma deficytami poznawczymi (recenzje Elvevaga & Goldberg, 2000 Green i in., 2004 Eisenberg i in., 2010). Badanie przypadków choroby Alzheimera wykazało, że globalna giryfikacja i szerokość bruzdy różniły łagodne przypadki choroby Alzheimera od zdrowych osób z grupy kontrolnej (Liu i in., 2012). Łagodne upośledzenie funkcji poznawczych jest również związane z większym niż normalnie zmniejszeniem gyryfikacji w późnym okresie życia (Liu i in., 2013). Te ostatnie odkrycia sugerują, że gyryfikacja może być bardzo istotna dla starzenia się poznawczego.

Inne badania dotyczyły znaczenia żyryfikacji dla normatywnego starzenia. Badanie przeprowadzone przez Zillesa i in. (1988) ręcznie zmierzył 3DGI post mortem w mózgach 61 osób dorosłych w wieku 16 lat. 91. To wczesne badanie wskaźnika skrępowania, podobnego do wskaźnika uzyskanego obecnie przy użyciu naszych metod MRI, ręcznie zmierzyło stopień skręcenia za pomocą wielu histologicznych wycinków mózgu. Ręczny pomiar pośmiertnego mózgu jest bardzo pracochłonny, aw tym badaniu wymagał pomiaru tylko co czwartego wycinka mózgu. Nie znaleźli żadnego istotnego związku między 3DGI a wiekiem. Stosując różne rodzaje środków, Magnotta i in. (1999) zaobserwowali zmniejszenie gyryfikacji wraz z wiekiem w mózgach 148 osób dorosłych w wieku 18–201382 lat w oparciu o pomiary krzywizny dziąseł i zakrętów. Hogstrom i współpracownicy (2013) przedstawili wyniki badania MRI 322 osób dorosłych w wieku 20� i stwierdzili, że 3DGI zmniejsza się wraz z wiekiem (Hogstrom i wsp., 2013). W tym badaniu wykorzystano ten sam wskaźnik gyryfikacji, co w niniejszym badaniu, oparty na całej korze mózgowej.

Niektóre badania sugerują, że czynniki genetyczne mają silny wpływ na bruzdy i zakręty podczas neurorozwoju (Piao et al., 2004). Ocena wzorców gyralnych u bliźniąt jednojajowych (MZ), Lohmann et al. (1999) zaobserwowali, że głębsze i wcześniejsze rozwojowo bruzdy mózgu są silniej skorelowane między bliźniętami niż bruzdy powierzchniowe. Doszli do wniosku, że bardziej powierzchowne bruzdy, rozwijające się po urodzeniu, mogą być bardziej podatne na wpływy środowiska.

Te dwa wczesne badania są ograniczone faktem, że każde z nich obejmowało tylko około 20 par bliźniaczych. Uważa się, że są to bardzo małe próbki do analizy bliźniąt, co może znacznie zwiększyć ryzyko uzyskania niewiarygodnych wyników (Neale & Cardon, 1992, Martin i in., 1978). Ponadto Lohman i in. (1999) obejmował tylko bliźnięta MZ. Bez uwzględnienia bliźniąt dwuzygotycznych (DZ) analizy nie są w stanie w pełni oddzielić wpływów genetycznych od tych wynikających ze wspólnego środowiska (Neale & Cardon, 1992). Rozwój technik półautomatycznych umożliwił w kolejnych badaniach bliźniaczych MRI uzyskanie znacznie większych próbek. To z kolei umożliwiło uzyskanie bardziej wiarygodnych szacunków wielkości wariancji w gyryfikacji, która jest spowodowana wpływami genetycznymi i środowiskowymi.

Należy ponadto zauważyć, że nasz wskaźnik gyryfikacji różni się od gyryfikacji, która została zbadana w tych badaniach bliźniaczych. Badali wirujące wzory. W niniejszym badaniu zbadaliśmy stopień wiryfikacji. Różnica jest analogiczna do kształtu i objętości struktur mózgowych. Wzory Gyral odzwierciedlają stopień, w jakim wzory (lub dokładne lokalizacje) są takie same. Mierzymy stopień gyryfikacji w taki sposób, że można mieć taką samą ilość gyryfikacji bez gyri i sulci znajdujących się w tym samym miejscu. Odziedziczalność tych pierwszych jest prawdopodobnie niższa niż odziedziczalność tych drugich, prawdopodobnie wzory zakrętów są mniej dziedziczne niż stopień wirowania.

U 515 bliźniąt w średnim wieku w Vietnam Era Twin Study of Aging (VETSA Kremen i wsp., 2006, 2013) zbadaliśmy wcześniej kowariancję genetyczną między całkowitym SA, średnim CT i GCA (Vuoksimaa i wsp., 2014). SA, a nie CT, kierowała fenotypowymi i genetycznymi powiązaniami między korą mózgową a GCA. Jak zauważono, poprzednie badania sugerują, że żyryfikacja jest pozytywnie powiązana fenotypowo ze zdolnościami poznawczymi i negatywnie fenotypowo związana z chorobą Alzheimera i łagodnymi zaburzeniami poznawczymi. Te odkrycia wskazują na możliwość, że żyryfikacja może być podstawowym źródłem naszych obserwowanych relacji SA-GCA. Nie są nam znane żadne genetycznie pouczające badania stopnia gyryfikacji lub związku między gyryfikacji a zdolnościami poznawczymi. Celem niniejszego badania było: 1) oszacowanie odziedziczalności gyryfikacji 2) zbadanie powiązań fenotypowych i genetycznych między gyryfikacja i SA, biorąc pod uwagę, że gyryfikacja jest związana z SA oraz 3) sprawdzenie, czy gyryfikacja leży u podstaw związku między SA i GCA.


Potencjalne mechanizmy zmian odziedziczalności wraz z wiekiem

Obecne teorie opisują tworzenie obszarów korowych jako zachodzące poprzez ustanowienie szeregu genetycznie kontrolowanych punktów zakotwiczenia, które służą jako loci dla nakładających się gradientów czynników wzrostu (Grove & Fukuchi-Shimogori, 2003). Charakterystyka określonych obszarów korowych rozwija się w czasie w odpowiedzi na lokalną kombinację czynników wzrostu i aktywacji. Argumentowano, że główna kora ruchowa i czuciowa może służyć jako rdzeniowe regiony zakotwiczenia, których najwcześniejszy rozwój jest silnie zdeterminowany genetycznie (Rosa & Tweedale, 2005). Zaobserwowany tutaj wzorzec efektów genetycznych dominujący w tych kluczowych regionach we wczesnym dzieciństwie może być zgodny z ich stosunkowo wczesnym rozwojem, po którym następuje stan dojrzały, w którym wysoki stopień plastyczności odzwierciedla ich rolę jako bezpośrednich pośredników ze środowiskiem zewnętrznym.

Przyczyna spadku całkowitej wariancji rozwoju, zwłaszcza ze względu na czynniki środowiskowe, nie jest oczywista. Może wydawać się bardziej logiczne, że wariancja spowodowana czynnikami środowiskowymi powinna rosnąć wraz z wiekiem, ponieważ zwiększają się możliwości narażenia na wyjątkowe zdarzenia środowiskowe. Może tak być w przypadku wcześnie rozwijających się regionów korowych, w których zmienność środowiskowa wzrasta w przedziale wiekowym naszego badania. Jednak dla później rozwijających się obszarów fenotyp dziedziczny jest czymś, co samo w sobie powstaje z czasem. Jak opisano wcześniej, istnieje coraz więcej literatury dotyczącej zmian w ekspresji genów zachodzących w trakcie rozwoju poporodowego. Jeśli geny o szczególnie silnym działaniu pojawią się w linii, mogą potencjalnie znacząco wpłynąć na wariancję z powodu czynników genetycznych. Interakcja genetyczna z czynnikami środowiskowymi w czasie może również zwiększać dziedziczność.

Jednym z sugerowanych mechanizmów tego zjawiska jest korelacja genów ze środowiskiem (rGE). rGE występuje, gdy te same geny wpływają zarówno na cechę, jak i istotne cechy środowiska, a także działają na rzecz zwiększenia ilości wariancji przypisywanej czynnikom genetycznym (Kendler & Baker, 2007 Scarr & McCartney, 1983). rGE można podzielić na trzy typy. Bierna forma rGE występuje, gdy rodzice zapewniają swoim dzieciom zarówno geny, jak i wczesne warunki środowiskowe. Forma aktywna dotyczy tendencji jednostek do poszukiwania środowisk, które wzmacniają predyspozycje genetyczne. Trzeci typ, sugestywne/reaktywne rGE, odnosi się do sposobu, w jaki zachowania uwarunkowane genetycznie mogą skutkować wytworzeniem określonych reakcji środowiskowych (Plomin, DeFries, & Loehlina, 1977). Względne znaczenie tych czynników prawdopodobnie zmieni się wraz z rozwojem i może wzrosnąć, gdy dzieci stają się bardziej niezależne i zdolne do wyboru własnego środowiska.

Inne modele interakcji gen-środowisko (Gൾ) obejmują procesy oczekujące na doświadczenie i zależne od doświadczenia, przedstawione przez Greenougha i współpracowników jako mechanizmy, za pomocą których czynniki środowiskowe wpływają na rozwój mózgu (Andersen, 2003 Greenough, Black, & Wallace, 1987 ). Oczekujący doświadczenia odnosi się do integracji bodźców środowiskowych z normalnymi wzorcami rozwoju mózgu, czego klasycznym przykładem jest wpływ jednoocznej deprywacji wzrokowej na rozwijającą się korę wzrokową, jak opisali Hubel i Wiesel (1998). Określone okresy rozwoju konkretnego układu nerwowego, w których muszą wystąpić pewne rodzaje stymulacji środowiskowej, aby mógł nastąpić normalny rozwój, nazywane są okresami krytycznymi. Procesy zależne od doświadczenia definiuje się natomiast jako środki, za pomocą których unikalne czynniki środowiskowe mogą w charakterystyczny sposób wpływać na rozwijający się układ nerwowy. W tym przypadku mózg może wykazywać szczególną wrażliwość na czynniki środowiskowe, takie jak uraz w określonych stadiach rozwoju, co skutkuje różnym wpływem na długoterminową trajektorię w zależności od tego, kiedy zdarzenie miało miejsce. Przedłużony przebieg rozwojowy ludzkiego mózgu sugeruje, że procesy te mogą nadal odgrywać rolę w osiąganiu dojrzałego fenotypu długo po urodzeniu.

Kanalizacja odnosi się do często obserwowanej odporności dojrzałych fenotypów na drobne zaburzenia genetyczne lub środowiskowe podczas rozwoju, jak na przykładzie wzrostu kompensacyjnego (Flatt, 2005 Schmalhausen, 1949 Tanner, 1963 Waddington, 1942). Interakcje Gൾ zostały zaproponowane jako jedna ścieżka, przez którą może nastąpić kanalizacja. Na przykład genetyczne determinanty plastyczności w odpowiedzi na środowisko mogą ograniczać rozwój struktur wzdłuż dziedzicznej trajektorii od niezróżnicowanego początku do genetycznie uwarunkowanego stanu dojrzałego (Garlick, 2002). Powtarzające się wzorce aktywności mogą również rzeźbić plastyczne struktury rozwijające się. Przykład tego opisali Zelditch, Lundrigan i Garland (2004), którzy stwierdzili, że wariancja w morfometrii czaszki myszy zmniejszyła się we wczesnym okresie poporodowym. Postawili hipotezę, że wysoka początkowa wariancja zmniejszyła się, gdy początkowe niezorganizowane, niedojrzałe wzorce aktywności ruchowej nabrały przewidywalnych cech dorosłości. Taki proces przypomina te, które uważano za leżące u podstaw zależnych od aktywności zmian w korze mózgowej.

Model ten sugerowałby, że wartości odziedziczalności u osób dojrzałych mogą być różne dla tych, których środowisko nie posiadało niezbędnych cech środowiskowych. Badania dotyczące wpływu niedoskonałych warunków środowiskowych na dziedziczność struktur mózgowych u dorosłych nie są obecnie dostępne dla naszej wiedzy, a identyfikacja i bezpośredni pomiar odpowiednich czynników środowiskowych jest dużym wyzwaniem. Można jednak spekulować, że gdyby cecha środowiskowa podczas rozwoju była integralnym elementem rozwoju dojrzałego dziedzicznego fenotypu, odejście od optymalnego zakresu dla członków rodziny spowodowałoby wzrost wariancji ze względu na ich wspólne środowisko. Niektóre pośrednie dowody na to można znaleźć w literaturze IQ. Jak wspomniano wcześniej, IQ wzrasta w dziedziczności w okresie dzieciństwa i dorastania, a wspólne efekty środowiskowe są zazwyczaj nieistotne (Plomin, Fulker, Corley, & DeFries, 1997). Badania nad dziedzicznością poznania wykazały, że istnieje interakcja Gൾ, w której wspólne czynniki środowiskowe stają się bardziej widoczne w porównaniu z czynnikami genetycznymi w miarę pogarszania się warunków społeczno-ekonomicznych (Harden, Turkheimer, & Loehlin, 2007 Turkheimer, Haley, Waldron, D&# x02019Onofrio, & Gottesman, 2003).

Wyjaśnienie interakcji czynników genetycznych i środowiskowych podczas rozwoju jest niezbędne do lepszego zrozumienia przyczyn psychopatologii (Thapar, Harold, Rice, Langley, & O𠆝onovan, 2007). Znane ramy „skazy stresowej” powstały z przekonania, że ​​ludzie mają różny stopień podatności lub odporności na stresory środowiskowe. Badania bliźniaków potwierdziły rolę interakcji Gൾ w kilku różnych zaburzeniach. Na przykład, badania wykazały, że niekorzystne zdarzenia życiowe częściej powodują depresję zarówno u dorosłych, jak i nastoletnich dziewcząt, które są również zagrożone genetycznie (Kendler i in., 1995 Silberg, Rutter, Neale, & Eaves, 2001). Dzieci częściej przejawiają zachowania antyspołeczne, jeśli mają zarówno ryzyko genetyczne, jak i historię niekorzystnych wczesnych doświadczeń, w porównaniu z dziećmi z każdym czynnikiem ryzyka oddzielnie (Cadoret, Cain, & Crowe, 1983).

Takie ustalenia są spójne z coraz większą liczbą prac nad wpływem interakcji określonych polimorfizmów genetycznych z określonymi środowiskowymi czynnikami ryzyka (Moffitt, Caspi, & Rutter, 2006). Pojawiające się dane z zakrojonych na szeroką skalę badań, które mierzą genotypy, odpowiednie czynniki środowiskowe oraz wyniki behawioralne lub zdrowotne wskazują, że możliwe jest zidentyfikowanie określonych interakcji Gൾ. Jednym z pierwszych przykładów było odkrycie, że maltretowane dzieci były bardziej narażone na rozwój problemów behawioralnych, jeśli miały również specyficzny funkcjonalny polimorfizm w genie kodującym enzym metabolizujący neuroprzekaźnik, oksydazę monoaminową A (Caspi i wsp., 2002). Wykazano, że wpływ polimorfizmu w regionie promotora dla genu kodującego receptor serotoniny przyczynia się do interakcji Gൾ (Caspi i in., 2003 Kaufman i in., 2004 Kendler, Kuhn, Vittum, Prescott, & Riley, 2005).

W modelu bliźniaczym opisanym wcześniej skutki tego typu interakcji zostałyby zaliczone do efektów genetycznych i prawdopodobnie takie interakcje Gൾ z czasem przyczyniają się do wzrostu dziedziczności niektórych obszarów mózgu. Zidentyfikowanie, które warunki środowiskowe wpływają na wyniki u osób z określonymi wariacjami genetycznymi, będzie dużym postępem w kierunku ostatecznego celu, jakim jest umiejętność dostosowania interwencji, aby ułatwić zdrowy rozwój mózgu.


Wzbogacenie o dziedziczność specyficznie wyrażonych genów identyfikuje tkanki i typy komórek istotnych dla choroby

Wprowadzamy podejście do identyfikacji tkanek i typów komórek istotnych dla choroby poprzez analizę danych dotyczących ekspresji genów wraz ze statystykami podsumowującymi badania asocjacyjnego całego genomu (GWAS). Nasze podejście wykorzystuje regresję wyniku stratyfikacji sprzężenia nierównowagi (LD) w celu sprawdzenia, czy dziedziczność choroby jest wzbogacona w regionach otaczających geny o najwyższej specyficznej ekspresji w danej tkance. Zastosowaliśmy nasze podejście do danych dotyczących ekspresji genów z kilku źródeł wraz ze statystykami podsumowującymi GWAS dla 48 chorób i cech (średnia N = 169 331) i znaleźliśmy znaczące wzbogacenia specyficzne dla tkanek (wskaźnik fałszywych odkryć (FDR) < 5%) dla 34 cech. W naszej analizie wielu tkanek wykryliśmy szeroki zakres wzbogaceń, które podsumowały znaną biologię. W naszej analizie specyficznej dla mózgu, znaczące wzbogacenia obejmowały wzbogacenie neuronów hamujących nad pobudzeniowymi w chorobie afektywnej dwubiegunowej i pobudzających nad neuronami hamującymi w schizofrenii i wskaźniku masy ciała. Nasze wyniki pokazują, że nasze podejście poligeniczne jest potężnym sposobem na wykorzystanie danych dotyczących ekspresji genów do interpretacji sygnałów GWAS.

Oświadczenie o konflikcie interesów

KONKURENCYJNE INTERESY FINANSOWE

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

Figury

Przegląd podejścia. Do…

Przegląd podejścia. Dla każdej tkanki w naszym zestawie danych dotyczących ekspresji genów…

Wyniki analizy wielotkankowej…

Wyniki analizy wielotkankowej dla wybranych cech. Wyniki dla pozostałych cech…

Walidacja wyników ekspresji genów…

Walidacja wyników ekspresji genów z danymi dotyczącymi chromatyny. (A) Przykłady walidacji z wykorzystaniem…

Wyniki analizy mózgu…

Wyniki analizy mózgu pod kątem wybranych cech. Wyniki liczbowe dla wszystkich cech…

Wyniki analizy…

Wyniki analizy danych dotyczących ekspresji genów ImmGen (u góry) i hematopoezy ATAC-seq…


Biologia bigoterii

Biorąc pod uwagę wynik niedawnych wyborów prezydenckich w USA, grupy mniejszościowe na całym świecie, co zrozumiałe, martwią się o przyszłość. Już teraz platformy mediów społecznościowych są zalane doniesieniami o ośmielonych bigotach werbalnie, a w niektórych niepokojących przypadkach fizycznie atakujących ludzi kolorowych, muzułmanów i członków społeczności LGBTQI+ (choć zobacz aktualizację).

Ale skąd bierze się ta wrogość? Popularne powiedzenie głosi, że rasiści nie rodzą się, ale są stworzeni, i chociaż to przesłanie jest ostatecznie pełne nadziei, ignoruje znaczną część historii: biologię. Jak omawiam w Cambridge Handbook of the Psychology of Prejudice, istnieje wiele dowodów wskazujących na genetyczne podstawy uprzedzeń i zachowań, a jeśli mamy nadzieję zredukować uprzedzenia netto, zrozumienie tego ma kluczowe znaczenie.

Głównym źródłem tych dowodów jest genetyka behawioralna. To przedsięwzięcie opiera się na naturalnym eksperymencie zapewnionym przez kontrastowanie identycznych i nieidentycznych par bliźniaków. Tam, gdzie bliźnięta jednojajowe mają wszystkie geny segregujące rodziców (tj. są w 100% identyczne genetycznie), bliźnięta nieidentyczne mają przeciętnie tylko połowę tych genów. Based on this knowledge, one can assume that a trait shared more strongly by identical twins than non-identical twins is influenced by genes. If, however, identical and non-identical twin pairs are equally similar then presumably the environment the twins share has had an influence on the trait [1] .

Combining this relatively simple premise with complex mathematical modeling yields researchers incredible power to dissect variation (i.e. differences between individuals) into that caused by genetic effects, the environment shared by twins (e.g. their household and religious and political up-bringing), and finally, variation caused by individual experiences, chance biological effects, and any error in measurement of the trait.

For instance, 30 years of research using the twin method has revealed that genes account for between 20 and 40% of the variation in political orientation (as I’ve covered previously). Similarly, twin studies have revealed substantial genetic effects on prejudicial attitudes.

One study from 1986 observed that identical twins were more similar in their attitudes towards white superiority, apartheid and mixed marriage than non-identical twins. Further modeling revealed that between 30 and 40% of variation in these attitudes was due to genes. Surprisingly, the shared environment of the twins, which includes shared aspects of the family household, accounted for less than 15% of variation in the same attitudes [2] .

A more recent study including attitudes to equal rights for gays and women found that a third of the variation support for these ideas was due to genetic effects [3] . From ethnocentrism (18%) [4] , negative attitudes to non-Europeans (32%) [5] , generalized prejudice (38%) [6] and in-group favoritism (i.e. preferring one’s own religious, political or ethnic group: 46%) [7] , twin data has consistently shown strong genetic effects influencing bigoted attitudes, generally with small influences of the home environment.

This seems counter-intuitive: how can genes influence acquired attitudes while shared environmental influences are small?

It’s important to understand that genes aren’t coding for specific attitudes: there is no gene for racism. What these results indicate is that genes are contributing to behavioral and psychological dispositions to regard out-group members, such as those that are ethnically or culturally different, negatively. Whether these genes are different for different types of out-groups, such as those of a different sexuality vs. those of a different religion, remains to be seen, though it seems likely that most prejudices stem from a similar mechanism, one that fosters fear and suspicion of out-group members. Despite these genetic influences, the specific attitudes (i.e. “immigrants get more than they deserve from the government”) are almost certainly derived from the environment, with genes influencing the degree to which they are endorsed. Consequently, in an environment densely populated with bigoted rhetoric (such as many experienced during the recent election campaign) individuals with a genetic predisposition to out-group hostility may find themselves more readily espousing prejudicial attitudes.

This is ultimately mixed news: unfortunately, it means that more heritable attitudes are more firmly entrenched [8] but by observing the changes in prejudice over time, it is clear that the specific types and strengths of prejudice within a society are open to change. Key to this is the understanding that heritability refers only to causes of variation, and says nothing about the average level of the trait itself. Take intelligence as an example: intelligence is highly heritable (

85%), yet since IQ testing began, psychologists have consistently observed generational increases in the average intelligence of the population, referred to as the Flynn Effect. The causes of these increases are largely unknown but could be attributed to better nutrition, more widely accessible education, or a lower burden of disease. Regardless of the cause, the heritability of intelligence has not changed for the most part, while the average IQ has continued to shift upwards.

The same is possible for prejudice. While genes may maintain some variation in how strongly prejudice is endorsed, overall prejudice within society can be reduced: a rising tide lifts all boats. Even across the few studies mentioned above, it is apparent that the focus of prejudice rapidly shifts from racism (i.e. issues of segregation) to those concerning gay rights within the space of 20 years.

However, it is incredibly important to consider these genetic effects when attempting to understand and intervene in prejudice. Multiple studies have shown that the family environment contributes relatively little to the maintenance of prejudicial attitudes over and above genes—likely racism tends to cluster within families because of shared genes. As a result, social interventions should be tailored, taking into account the fact that genetic variation may mitigate their effectiveness for certain individuals.

Humans have made great strides in overcoming the burden of prejudice but it is often a lack of understanding that keeps us from truly succeeding: We can no more assume that all individuals are equally prone to bigotry based on their environment than we can assume that one’s genes entirely determine their future. Rather, to resolve complex social issues requires a nuanced understanding of the interaction between biology and behavior, one that starts at the level of a single gene and extends to the entirety of modern culture. In the uncertain days to come it will be crucial to bear this in mind.

1. Neale, M.C. and L.C. Cardon, Methodology for genetic studies of twins and families. 1992, Kluwer, Boston: Kluwer Academic Publishers.

2. Martin, N.G., et al., Transmission of social attitudes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1986. 83(12): p. 4364-4368.

3. Alford, J., C. Funk, and J. Hibbing, Are Political Orientations Genetically Transmitted?, J. Alford, Editor. 2005. p. 153-167.

4. Orey, B.D. and H. Park, Nature, nurture, and ethnocentrism in the Minnesota Twin Study. Twin Research and Human Genetics, 2012. 15(01): p. 71-73.

5. Kandler, C., et al., The genetic and environmental roots of variance in negativity toward foreign nationals. Behavior Genetics, 2015. 45(2): p. 181-199.


Is ADHD Caused by Toxins and Pollution?

Scientific research 4 suggests that exposure to chemicals — everyday toxins found in foods, carpeting and flooring, cleaning and lawn products, and personal-care products, like toothpastes — may contribute at least somewhat to disorders such as ADHD, autism, and learning disabilities. Infants and children are especially vulnerable to chemical exposure because their biological systems are still developing. During fetal development, exposure to even minuscule amounts of toxins at critical junctures can have a lifelong impact on the child’s brain and physical health. Brain development may be impacted by these toxins. These findings come from research that is not widely respected by all members of the medical community.

In 2010, the Learning and Developmental Disabilities Initiative (LDDI) released the first-ever report identifying chemical pollution in people from the learning and developmental disability community, called “Mind, Disrupted: How Chemicals May Affect How We Think and Who We Are.” 5 It concluded that you don’t have to live next to a waste site to be exposed to brain-damaging chemicals. Examples of household chemicals include:

  • Perfluorinated compounds (PFCs) are used to prevent food and other substances from sticking to carpets, drapes, and cooking pans. Teflon and Scotchgard are examples.
  • Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), used as fire retardants, are found in clothing and furniture, as well as bedding.
  • Triclosan is an antibacterial agent found in soaps, toothpastes, and many other personal-care products.
  • Bisphenol A (BPA) is an epoxy resin used to line food cans and other containers. It is also used to make plastic containers, like infant bottles, and certain paper products.
  • Phthalates make rubber-based materials soft and pliable. They are found in vinyl, plastic bottles, toys, shower curtains, and raincoats. They are also used to make personal-care products, air fresheners, and shampoos.

Every participant in the Learning and Developmental Disabilities Initiative tested positive for at least 26 of the 89 chemicals studied.

A 2015 study, 6 completed by the University of Calgary, linked the chemicals used in making plastic (BPA and BPS) to hyperactivity in zebrafish, which are often used to study embryonic brain development because they share 80 percent of the genes found in humans, and have similar developmental processes. They called the results of their study, “a smoking gun” that linked negative changes in brain development to BPA and BPS exposure.

Lead exposure may also cause ADHD symptoms, according to a study published in Nauka psychologiczna in 2015. 7 The study’s researchers emphasized that lead exposure is not the only cause of ADHD symptoms rather, it’s one environmental factor that may lead to a formal ADHD diagnosis. Similarly, lead exposure doesn’t guarantee an ADHD diagnosis, but it may provide doctors with further clues about the root of a child’s symptoms.


PI3K-Yap activity drives cortical gyrification and hydrocephalus in mice

Mechanisms driving the initiation of brain folding are incompletely understood. We have previously characterized mouse models recapitulating human PIK3CA-related brain overgrowth, epilepsy, dysplastic gyrification and hydrocephalus (Roy et al., 2015). Using the same, highly regulatable brain-specific model, here we report PI3K-dependent mechanisms underlying gyrification of the normally smooth mouse cortex, and hydrocephalus. We demonstrate that a brief embryonic Pik3ca activation was sufficient to drive subtle changes in apical cell adhesion and subcellular Yap translocation, causing focal proliferation and subsequent initiation of the stereotypic 'gyrification sequence', seen in naturally gyrencephalic mammals. Treatment with verteporfin, a nuclear Yap inhibitor, restored apical surface integrity, normalized proliferation, attenuated gyrification and rescued the associated hydrocephalus, highlighting the interrelated role of regulated PI3K-Yap signaling in normal neural-ependymal development. Our data defines apical cell-adhesion as the earliest known substrate for cortical gyrification. In addition, our preclinical results support the testing of Yap-related small-molecule therapeutics for developmental hydrocephalus.

Słowa kluczowe: PI3K Yap cortical gyrification critical period human biology hydrocephalus medicine mouse neuroscience.

Oświadczenie o konflikcie interesów

AR, RM, MD, JM, TB, KA, IG, KM No competing interests declared

Figury

Figure 1.. Embryonic induction of Pik3ca H1047R…

Figure 1.. Embryonic induction of Pik3ca H1047R activating mutation causes cortical gyrification in mice.

Figure 1—figure supplement 1.. Genetic strategy for…

Figure 1—figure supplement 1.. Genetic strategy for Pik3ca H1047R mouse model and expression of GFAP-cre…

Figure 1—figure supplement 2.. Characterization of true…

Figure 1—figure supplement 2.. Characterization of true gyrification in Pik3ca H1047R mutant neocortex and hippocampus.

Figure 1—figure supplement 3.. Pik3ca H1047R mutant…

Figure 1—figure supplement 3.. Pik3ca H1047R mutant demonstrates increase in ventricular length.

Figure 2.. Altered neurogenesis in Pik3ca H1047R…

Figure 2.. Altered neurogenesis in Pik3ca H1047R mutant at embryonic and postnatal stages follows the…

Figure 2—figure supplement 1.. Pik3ca H1047R mutant…

Figure 2—figure supplement 1.. Pik3ca H1047R mutant demonstrates normal cell fate specification but disrupted neural…

Figure 3.. Non-random gyrification pattern in Pik3ca…

Figure 3.. Non-random gyrification pattern in Pik3ca H1047R mutant has a narrow embryonic critical period.

Figure 3—figure supplement 1.. Minimal induction of…

Figure 3—figure supplement 1.. Minimal induction of PI3K overactivation is sufficient to initiate cortical folding…

Figure 4.. Embryonic induction of Pik3ca H1047R…

Figure 4.. Embryonic induction of Pik3ca H1047R mutation causes early disruption of apical cell adhesion.

Figure 4—figure supplement 1.. Disruption of apical…

Figure 4—figure supplement 1.. Disruption of apical cell adhesion caused by embryonic induction of PI3K…

Figure 5.. Embryonic induction of Pik3ca H1047R…

Figure 5.. Embryonic induction of Pik3ca H1047R mutation disrupts early developing ependyma and induces increase…

Figure 5—figure supplement 1.. Six3 + cells…

Figure 5—figure supplement 1.. Six3 + cells ectopically concentrate at the mutant gyral ventricular zone.

Figure 6.. Translocation of Yap from nucleus…

Figure 6.. Translocation of Yap from nucleus to cytoplasm by verteporfin attenuates gyrification and ventriculomegaly…

Figure 6—figure supplement 1.. Verteporfin administration has…

Figure 6—figure supplement 1.. Verteporfin administration has no overt effect on control littermates.

Figure 6—figure supplement 2.. Barcode plots across…

Figure 6—figure supplement 2.. Barcode plots across groups showing gene enrichment.

Figure 6—figure supplement 3.. Pik3ca mutant gyrification…

Figure 6—figure supplement 3.. Pik3ca mutant gyrification is physiologically relevant.

Figure 7.. Reduction of nYap by verteporfin…

Figure 7.. Reduction of nYap by verteporfin re-establishes developing apical junctions and suppresses focal proliferation…

Figure 7—figure supplement 1.. Reduction of nYap…

Figure 7—figure supplement 1.. Reduction of nYap by verteporfin re-establishes cell adhesion in Pik3ca H1047R…

Figure 7—figure supplement 2.. Effect of verteporfin…

Figure 7—figure supplement 2.. Effect of verteporfin on apical junctions initiates early.