eMRI无创观察：调节大脑功能和结构的基因表达的动态变化

美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校(UniversityofIllinoisUrbana-Champaign)的一个多学科团队设计了一种新的3D成像方法，可以捕获脑内的DNA甲基化——这是一种与大脑功能和结构改变相关的表观遗传的一种方式。表观遗传学是基因表达调控的关键机制。这种被称为表观遗传核磁共振成像(eMRI)的新方法，开辟了一种新的路径来研究大脑发育、学习、应对压力和神经退行性病变是如何塑造大脑的。目前在猪身上已经成功的概念验证研究很快可以应用到人类身上，因为这种新方法依赖于已经在人类医学中使用的标准的核磁共振技术和生物标记物。该项研究由伊利诺伊大学卡尔伊利诺伊医学院教授KingLi、伊利诺伊大学生物工程教授FanLam和伊利诺伊州CarlR.Woese基因组生物学研究所所长GeneRobinson共同领导。【可能将会发表在PNAS】

基因组——生物体的全部DNA密码——为我们的细胞提供了通过转录和翻译过程来创造蛋白质的指令。这些蛋白质是参与细胞各种分子过程的“主力”，最终塑造了细胞在生物体内的独特功能。

虽然有机体中的每个细胞都拥有相同的基因，但并不是每个细胞都具有相同的功能，这是因为特定基因在不同时间的“关闭”和“打开”，这被称为基因表达。基因的表达可能受到各种不同因素的影响，如环境暴露、疾病甚至创伤。

表观遗传学是指研究细胞如何在不改变DNA序列的情况下调节基因活动。有不同类型的表观遗传变化，包括DNA甲基化和组蛋白修饰。DNA甲基化是基因活性调控的重要过程。甲基（-CH3）连接在DNA的主链上。它们能够阻止蛋白质“解读”基因，从而阻止将其转录为RNA和转译为蛋白质。因此，当甲基附着时，蛋白质就不会产生。这是一个可逆过程。甲基的去除——通过去甲基化——有效地打开了基因。

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表观遗传学研究促进了我们对人类生物学的理解。研究大脑中的基因表达，以及它在大脑发育、学习和记忆、应对压力和神经退行性病变等不同经历中是如何变化的，已经成为近二十年来神经科学研究的一大焦点。

由于发育、老化、环境影响和疾病，大脑的结构和功能不断变化。

两种基本机制支持这些变化：一个快速系统基于神经元激活，神经元和其他脑细胞在相对较短的时间尺度（毫秒、秒和分钟）对环境信号做出反应，比如，当生物体遇到威胁时，神经活动会基于快速系统触发响应。神经元突触发出信号，触发诸如“跑”或“把手从灼热的表面缩回”之类的想法。另一个较慢系统基于基因表达的变化，发生在较长的时间尺度（小时、天，甚至更长），以修改神经结构为未来做好准备。成像技术的进步改变了我们研究这些机制的方式。

该项技术专注于较慢系统——分子控制系统，它依赖于基因表达。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影响基因表达的表观遗传变化之一。

你可能会对“一起被激发的神经元，连接在一起”这句话很熟悉。这个观点认为，如果你经常练习，可能会因为基因表达、信号通路形成了新的神经元连接的变化而改变你自己的大脑结构。

大脑功能的长期变化在大脑疾病和大脑对环境变化的反应中发挥着关键作用。

先进的MRI技术，比如fMRI、rs-fMRI和DTI，已经通过提供一种强大的非侵入性的方法来成像神经活动，彻底改变了我们对人脑的认识；同时，也被用来在干预前和干预后观察和测量孤独症个体的脑神经功能和结构的改变，为治疗反应和临床症状改善提供客观的衡量。

测量和可视化大脑中基因表达和调节的非侵入性能力同样也将彻底改变大脑功能、行为和疾病的研究。而研究与大脑控制系统相关的分子过程的困难在于，有机体需要大脑才能生存。相对于功能磁共振成像（fMRI），对基因表达进行成像的技术仅限于需要侵入性采样和组织处理的方法。尽管这些技术已经提供了大量关于大脑中基因表达和基因调节的知识，特别是在动物模型中，它们的破坏性使得对相同样本的纵向研究成为不可能，从而限制了我们将科学发现转化和扩展到人类大脑的能力。

该研究领导人之一KingLi想到了一种必需氨基酸，蛋氨酸，可以携带一种叫做碳-13的原子标记进入大脑，它可以提供DNA甲基化所需的碳-13标记的甲基。这个过程用一种稀有的碳同位素标记了DNA。

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。即使用富含13C-蛋氨酸（13C-Met）的定制饮食喂养的猪，可以让碳-13的原子标记进入大脑，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ScottSilverman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。”

先前的研究已经表明，MRI可以对碳-13进行成像，并且口服碳-13已在人类受试者中使用了数十年。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Zhi-PeiLiang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RyanDilger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-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。

这项首次成功的使用一种新方法对大脑DNA甲基化进行直接成像，研究人员称之为表观遗传MRI（epigeneticMRI,eMRI）。该方法通过定制的13C-蛋氨酸（13C-Met）饮食和对13C-MRSI的创新，集成了稳定同位素5-甲基-2'-脱氧胞苷（5mdC）标记，报告了完整大脑半球的稳健图谱，揭示了DNA甲基化的强烈区域差异。在饲喂不同天数的丰富饮食的动物中观察到显着的eMRI信号差异，证明了该信号的动态性质。

“这一发现非常令人鼓舞，因为它反映了我们希望看到的这个信号是对环境响应的，”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。”

鉴于eMRI是非侵入性的，并且使从几天到几个月的长时间尺度的体内表观遗传研究成为可能，而这些时间尺度在实验中是无法通过放射性标记和侵入性技术获得的，所以这项研究为人类提供了一个全脑的DNA甲基化脑成像范式。

eMRI也可以与fMRI结合，研究大脑功能的短期神经和长期分子控制之间的相互作用，从而进一步了解行为和大脑对环境和疾病刺激的反应的调节。

由于DNA甲基化是基因表达的主要调控因素之一，eMRI有望成为了解大脑功能和疾病的分子基础的有力工具。