使用新的eMRI技术直接在大脑中对表观遗传DNA甲基化进行成像

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一个多学科团队设计了一种基于MRI的非侵入性3D成像方法，可直接捕获DNA甲基化，这是与调节基因表达和大脑学习相关的关键表观遗传变化。科学家们表示，他们在猪身上进行的概念验证研究将很容易转化为人类，因为他们称之为表观遗传MRI(eMRI)的方法依赖于标准MRI技术和已经在猪身上使用的生物标记。人类医学。

由伊利诺伊大学卡尔伊利诺伊医学院教授KingLi博士共同领导的研究人员表示，eMRI将为研究表观遗传变化如何塑造大脑、使其生长开辟新途径。学习并应对压力。该技术还可能有助于研究阿尔茨海默病等神经退行性过程。

研究人员在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的论文中总结道：“由于DNA甲基化是基因表达的主要调节因子之一，eMRI有望成为了解大脑功能和疾病的分子基础的强大工具。”)，题为“表观遗传学MRI：大脑DNA甲基化的非侵入性成像”，伊利诺伊大学生物工程学教授FanLam博士和伊利诺伊州CarlR.Woese基因组生物学研究所所长GeneRobinson博士，与李和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究小组共同领导了这项工作。

作者解释说，由于发育、衰老、环境影响和疾病，大脑的结构和功能不断变化。大脑中有两个控制系统，在不同的时间尺度上运行。“神经元和遗传机制都调节大脑功能。”神经元和其他脑细胞在几秒或几毫秒内对环境线索做出反应，而基因表达的变化则需要更长的时间。例如，当蜜蜂遇到威胁时，它必须立即采取行动。它依赖神经元快速放电并使其采取防御行动。但即使威胁消失后，蜜蜂的大脑仍会继续做出反应，通过基因表达的变化为未来潜在的威胁做好准备。

“我们的DNA在细胞之间是相同的，不会改变，”李说。“但是像甲基这样的微小分子附着在DNA主链上，以调节哪些基因被主动转录成RNA并翻译成蛋白质。DNA甲基化是基因功能控制中非常重要的一部分。”

伊利诺伊州昆虫学教授罗宾逊研究蜜蜂基因组学、经验和行为之间的相互作用，此前的研究表明，DNA甲基化是动物对其环境做出反应时大脑中发生的几种表观遗传变化之一。“动态表观遗传活动是支撑大脑在发育和衰老过程中以及对环境和疾病刺激做出反应时如何改变其功能的基本机制，”作者进一步写道。罗宾逊的研究表明，随着蜜蜂的成熟、在蜂巢中的角色改变、遇到新的食物来源或对威胁做出反应，蜜蜂大脑中的许多基因都会上调或下调。

“我们关注的是第二个控制系统，即分子控制系统，它依赖于基因表达，”罗宾逊说。“这些变化可能需要几分钟才能发生，但也可能持续数小时、数天甚至更长时间。”但作者指出，这种变化可能很难监控。“虽然有很好的方法来研究体内神经元活动，但没有无损方法来测量活体大脑中的整体基因表达。”

科学家们一直无法精确捕捉活体大脑随时间推移发生的分子变化。早期对蜜蜂和其他生物体的表观遗传学研究需要切除脑组织或解剖动物进行分析。先前对人脑的一项研究工作对参与调节表观遗传变化的酶进行了成像，但并未直接针对表观遗传变化。作者进一步解释说，“最近证明了人脑中组蛋白脱乙酰酶(HDAC)的PET成像，使用了一种可以穿过血脑屏障(BBB)并靶向HDAC亚型的放射性示踪剂。”虽然这种形式的成像确实探测组蛋白乙酰化，但作为表观遗传基因调控的另一种主要形式，PET需要将放射性物质引入体内，并且它只针对其中一种

他们指出，调节组蛋白乙酰化的酶，而不是组蛋白乙酰化本身。“此外，PET缺乏区分目标分子和下游代谢产物的特异性。”

伊利诺伊州的研究小组转而采用核磁共振成像技术，看看这项技术是否可以用于直接对活体受试者的表观遗传变化进行成像。对于新方法，研究人员依赖于一个关键的见解。碳同位素碳-13天然存在于体内，但其姊妹同位素碳-12的含量要丰富得多，活体组织中约99%的碳是碳-12。Li意识到必需氨基酸蛋氨酸可以将碳13携带到大脑中，在那里它可以提供DNA甲基化所需的碳13标记的甲基。然后，这个过程将用稀有的碳同位素标记DNA。

蛋氨酸必须通过饮食获得，因此研究人员测试了这样的想法：将碳13标记的蛋氨酸(13C-Met)喂给测试对象将使其进入大脑并标记那些正在发生甲基化的区域。“我们选择13C-Met是因为Met是一种必需氨基酸，也是DNA甲基化的主要甲基供体。蛋氨酸也常被用作营养补充剂，并被批准供人类使用，”研究人员指出。“为了验证我们的标签方法，我们设计了一种特殊的饮食，用适当比例的游离氨基酸代替所有蛋白质，并用浓缩的13C-Met代替所有Met。”Lam与伊利诺伊州化学教授ScottSilverman合作开发了一种区分甲基化DNA和大脑中其他甲基化分子的方法，他指出：“当我们开始这个项目时，

之前的研究已经表明，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。但来自活体动物的碳13信号很弱，因此Lam和伊利诺伊大学电气与计算机工程教授Zhi-PeiLiang博士依靠他们在MRI和MR光谱方面的专业知识来显着增强eMRI信号。

研究小组首先在啮齿类动物身上尝试了这种方法，然后转而在小猪身上进行研究，小猪的大脑较大，更像人类的大脑。“为此，他们依赖于合著者RyanDilger博士的专业知识，他是伊利诺伊州动物科学教授，研究影响猪神经发育的因素。

“这个项目是高度跨学科的，”林说。“我们的团队中有工程师、影像和放射学专家以及具有很强临床应用背景的人员。我们还拥有在营养科学、动物科学、化学和基因组学方面具有专业知识的科学家。”

在饲喂含有碳13标记蛋氨酸的饮食的仔猪实验中，研究人员发现MRI可以检测到大脑中碳13标记甲基基团的信号增强。进一步的分析使他们能够将DNA上的甲基与其他甲基化分子区分开来。

仔猪出生几周后，其大脑中的新DNA甲基化数量比出生时要多，而且这种增加远远大于仅根据体型变化所预期的情况。

“这一发现非常令人鼓舞，因为它反映了我们期望看到的信号是否具有环境响应性，”李说。“从动物研究中得知，与学习和记忆最相关的大脑区域会经历更多的表观遗传变化。猪脑中的DNA甲基化也存在区域差异，就像经典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。将这个标签输入大脑很容易，而且不会对身体造成伤害。我们将通过饮食将其提供给人们，然后我们就可以检测到信号。”

研究团队进一步指出，eMRI能够提供体内大脑中DNA甲基化周转的信息。在大脑不断发育的仔猪中，13C标记可以通过新细胞形成和DNA甲基化更新整合到脑细胞的DNA中，但在成年动物和人类中，大脑生长并不是主要因素，因此整合13C标签进入成人脑细胞DNA的过程主要是通过DNA甲基化的转换。“之前没有已知的体内技术可以测量这种转变，而使用eMRI进行测量可能会揭示大脑DNA甲基化的动态如何促进高级大脑功能的调节。”

李建议，他们对该方法的首次应用可能会发生在比较患有和未患有神经退行性疾病的人的大脑的研究中。但正如作者总结的那样，“鉴于eMRI的非侵入性性质，我们的结果为活人大脑的DNA甲基化成像范式铺平了道路……正如区域神经元活动的功能MRI测量对神经科学产生了变革性影响一样，我们预计eMRI信号既可以作为区域表观遗传活动的衡量标准，也可以作为区域基因表达的可能替代品，将有助于对人类大脑功能、行为和疾病进行许多新的研究。”