Део 2: Различити генетски потписи кортикалних и субкортикалних региона повезаних са људским памћењем

Контакт: Аудреи Ху Вхатсапп/хп: 0086 13880143964 Е-пошта:audrey.hu@wecistanche.com

Кликните овде за први део

Молимо кликните овде до 3. дела

Преглед литературе о генетским потписима

Да се ​​квантификује број "погодака" гена кандидата замеморијаанализу, извршили смо преглед литературе за сваку листу гена ЦЛ и избројали број гена-меморија(тј. истински позитивни) или асоцијације ген-моторних функција (тј. лажно позитивни; слика 1Ф). Ово је урађено прегледом експерименталне литературе на Гоогле Сцхолар-у, путем упита за претрагу: [„име гена“ АНД („сећање“ ИЛИ „амнезија“ ИЛИ „Алцхајмерова болест“ ИЛИ „деменција“)] и [„име гена“ АНД („мотор функција" ИЛИ "моторна координација" ИЛИ "локомоторна" ИЛИ "атаксија" ИЛИ "моторичко учење" ИЛИ "Паркинсонова" ИЛИ "Хантингтонова")], респективно. Исто је поновљено за моторичку анализу за одговарајуће позитивне и лажно позитивне. Поремећаји су одабрани за претрагу по кључним речима јер уочљиво карактеришу недостатке у меморији и моторичком функционисању. Јаки докази су укључивали студије које су користиле ин виво манипулације генима, мутанте и фармаколошке интервенције, док су слаби докази укључивали компјутерске асоцијације гена, ин витро студије, студије диференцијалне експресије гена и студије случаја код људи. Литературни докази се рачунају као валидација само ако имплицирају одговарајућу област мозга, тј. кортикални или субкортикални. Као такав, докази о улози датог гена само у неанализираном региону мозга нису урачунати. На пример, ако је рад показао да нокаутирање гена А само у подкортексу доводи до дефицита памћења, то се не би рачунало као доказ за анализу кортикалне меморије.

Цистанцхе може побољшати памћење

Корелациона разлика у меморији и моторичким анализама

Ако је метода валидна, меморијски гени би требало да имају вишу просечну вредност корелације одмеморијаанализа упоређена са моторном анализом, и обрнуто за моторне гене и р вредност моторне анализе. За сваки ген, ово је израчунато одузимањем његове моторичке функције р од вредности р меморије, са позитивном разликом која се рачуна у ефикасност методе (слика 1Г). Имајте на уму да за вредности р меморије са листе негативних гена (нпр. кортикална кортика памћења -), множимо разлику р вредности са –1 да бисмо ову разлику изразили као позитивну вредност, у складу са листама позитивних меморијских гена. Затим узимамо просек свих гена за сваки скуп С који задовољавају ФДР к 0.05 (исти праг као и визуелизација мапе обогаћивања) да бисмо добили седам таквих вредности. Пошто је број гена по сету С различит, покренули смо број вредности корелационе разлике коришћених за израчунавање просечне вредности корелационе разлике по сету. Ово је урађено одвојено за анализу памћења и моторичке анализе узастопним подузорковањем корелационих разлика (10,000 итерација) на минимални број гена у меморији (н 231) и моторних скупова (н 146), респективно. Ово смо визуализовали као дијаграм за сваки од седам сетова, са средњом вредношћу и 95. перцентилима (бркови) за анализу меморије и мотора. Ако основна линија не спада у дистрибуцију од 95 процената (тј. бркови се не преклапају са базном линијом од нуле), сматра се да се резултат значајно разликује од основне линије (п 0,05).

Процена ефикасности метода у идентификацији гена кандидата

Квантификовали смо ефикасност методе на основу претходног прегледа литературе (Слика 1Г). Да бисмо то урадили, израчунали смо вероватноћу шансе да добијемо Нмеморијагена по листи гена. Ово се ради одабиром Нмеморијагена (без замене) из пула познате меморије илимеморија-гени за поремећаје (н 644) од свих 15.625 анализираних гена. На пример, ако су 10 од 10 гена на листи гена гени за памћење, вероватноћа да се то догоди је 1.32 10 14. Исто је урађено и за моторну функцију и гене моторичке функције (н 104). Овемеморијагени су састављени из три извора: (1) горњи преглед литературе; (2) скуп гена биолошке функције „ГО:0007611 Учење или памћење“ из базе података АмиГО2 (Царбон ет ал., 2009; верзија 2.4.26, датум објављивања 2016-08); и (3) ван Цаувенбергхе ет ал. (2016). Гени везани за мотор (моторни или моторички поремећај) добијени су из (1) претходног прегледа литературе, (2) скупова гена биолошке функције „ГО: 0061743 моторно учење“ и „ГО:0061744 моторичко понашање“ из базе података АмиГО2 (Царбон ет ал., 2009) и (3) Лин и Фаррер (2014).

Оцена прецизности за анализу памћења и мотора

Питали смо, од датогмеморијалиста гена са генима означеним каомеморијагене, са колико њих је заправо повезаномеморија. Ово смо квантификовали израчунавањем прецизне оцене (слика 1Г). Прво смо одредили праве позитивне (тј. гене повезане са памћењем из прегледа литературе) и лажно позитивне (тј. гене повезане са моторичком функцијом). Литературни докази су пондерисани тако да су за истинске позитивне, јаки докази и слаби докази (дефинисани горе) добили пун поен, односно пола поена. За сваку листу гена, затим смо одредили оцену прецизности методе тако што смо поделили „право позитивне“ збиром истинито позитивних и лажно позитивних (једначине 1,2). Ако је метода прецизна, за анализе меморије, резултати прецизности меморије треба да буду изнад 0.5, а моторни резултат испод 0.5, и обрнуто. Нацртали смо резултате меморије и прецизности мотора за сваку листу гена (у распону од 0 до 1) и разлику између ових резултата (у распону од –1 до 1). У идеалном случају, разлика би требала бити већа од нуле. У следећим једначинама, Мемориес број гена са јаким доказима за његову повезаност са памћењем; Меморијски број гена са слабим доказима за повезаност са памћењем; Мотори број гена са јаким доказима за његову повезаност са моторичком функцијом; и Моторв број гена са слабим доказима за повезаност са моторичком функцијом.

Изјава о доступности података

Сви коришћени генетски и неуроимаџинг подаци доступни су од АХБА (хттпс://хуман.браин-мап.орг) и Неу-росинтх (хттпс://ввв.неуросинтх.орг). Скрипте за претходну обраду транскриптома доступне су на хттпс://гитхуб.цом/БМХЛаб/АХБАпроцессинг. Корелационе скрипте и улазни подаци доступни су за некомерцијалну употребу у Ектендед Дата 1 и на хттпс://гитхуб.цом/ПК-ХК/ генеЦогнитионДисцовери.

Резултати

АХБА и Неуросинтх карте

За идентификацију целог мозга одраслог човекамеморијагена, прво смо морали да спроведемо анализу просторне корелације између 3Д неуроимагинга високе резолуције и транскриптомских мапа мозга одраслог човека. Као такви, користили смо АХБА транскриптом велике густине целог људског мозга и Неуросинтхмеморијамапа асоцијације асоцијације сваког воксела са меморијом уопште као скуповима улазних података (Иаркони ет ал., 2011).

АХБА је изведен из шест донорских мозгова и садржи експресију гена људског мозга целог генома у левим кортикалним и субкортикалним регионима (Н 6; слика 1А; видети пример визуелизације у проширеним подацима на слици 1-1; Хаврилицз ет ал. , 2012). Тхе Неуросинтхмеморијамапа асоцијација је мапа мета студије (Н 2744) која представља релевантност сваког можданог воксела замеморија(за разлику од других когнитивних функција), специфицираних позитивним з скором (слика 1А; видети визуелизацију мапа меморијских и моторичких функција на слици Проширених података 1-2; Иаркони ет ал., 2011). Имајте на уму да употребамеморијаовде се односи на памћење уопште, пошто је мапа направљена од студија неуроимаџинга у вези са меморијом које користе више типова меморијских задатака (Иаркони ет ал., 2011). Обе карте смо заједно регистровали у заједнички МНИ152 простор. Меморијске области у мапи меморијских асоцијација су коришћене за дефинисање употребљивих АХБА узорака за каснију анализу просторне корелације.

Анализа просторне сличности

Користећи ове скупове података, покушали смо да изолујемо гене са високим вредностима просторне корелације између њихове експресије гена имеморијатерминске мапе за наредне кораке анализе, јер су највероватније повезане са памћењем (Фок ет ал., 2014). Анализу просторне сличности између мапа асоцијација АХБА и Неуросинтха извршили смо одвојено за кортикалне и субкортикалне регионе због њихових изражених разлика (погледајте Увод; листа кортикалних и субкортикалних региона је доступна у проширеним подацима, сл. 1-3), и за меморију и моторичку функцију (видети пример просторне корелације на сл. 2). Свака анализа је дала листу Л, која је садржала средње вредности корелације 15.625 гена коришћених за накнадно рангирање (слика 1Б).

Накнадно смо рангирали сваку листу Л. Позитивна корелација указује на већу експресију гена у областима релевантним замеморија, а негативна корелација имплицира нижу експресију у областима релевантним за памћење. Највећи-10 гени са позитивно и негативно корелацијом за кортикалне и субкортикалне анализе меморије приказани су у табели 1 (погледајте вредност просторне корелације свих гена у табели проширених података 1-1). Било је више негативно корелираних гена него позитивно корелираних гена за кортикалне и субкортикалне анализе меморије (Табела проширених података 1-1). Пронашли смо 8383 позитивно и 7243 негативно корелираних гена за кортикалне области, и 7642 позитивно и 7984 негативно гена за субкортикалне области.

Различити профили експресије гена повезани са кортикалном и субкортикалном меморијом

Пратећи анализу просторне корелације, имали смо за циљ да дефинишемо профиле експресије гена који се односе на кортикалне и субкортикалнемеморијана свеобухватан начин. Да бисмо идентификовали и окарактерисали скупове гена који раде на заједничкој биолошкој функцији (тј. скупови гена), анализирали смо сваку од кортикалних и субкортикалних листа Л са ГСЕА унапред рангираним (слика 1Ц). Ово је дало скупове гена са позитивним и негативним бодовањем, који су изведени из позитивно и негативно корелираних гена Л, респективно. Ови скупови гена су затим груписани у функционално повезане кластере и аутоматски означени биолошким темама (Цлине ет ал., 2007; Мерицо ет ал., 2010; Оеспер ет ал., 2011).

Све у свему, кортекс и субкортекс су имали различите биолошке теме за које је раније утврђено да су повезане са памћењем. За кортикалнемеморија, ГСЕА је открио 28 позитивних и 29 негативних значајно обогаћених скупова гена. Визуелизација мреже обогаћивања показала је да су ови скупови гена груписани у пет различитих кластера (слика 3; комплетни ГСЕА резултати су на слици проширених података 3-1), са скуповима гена унутар сваког кластера који деле обогаћене гене. Утврђено је да су ови скупови гена повезани са памћењем. Позитивни кластер П1 је садржао скупове гена који су укључени у имуни одговор и сигнализацију Фц рецептора (Фернандез-Визарра ет ал., 2012; Марин и Кипнис, 2013). П2 је био укључен у интерферон-гама сигнализацију (Литтељохн ет ал., 2014), П3 у трансмембранском транспорту јона калцијума и П4 у склапању актинских филамента (Круцкер ет ал., 2000; Лампрецхт, 2011). Негативни кластер Н2 је садржао скупове гена укључених у динамику хроматина, епигенетску регулацију и диференцијацију имуних ћелија (Ким и Каанг, 2017).

За субкортикалнемеморија, ГСЕА је открио 50 позитивних и 14 негативних значајно обогаћених скупова гена. Визуелизација мреже обогаћивања показала је да су ови скупови гена груписани у три различита кластера (слика 4; комплетни ГСЕА резултати су на слици проширених података 4-1). Слично томе, утврђено је да су ови скупови гена повезани самеморија. Позитивни кластер П1 је укључен у синаптички пренос и синаптичку пластичност. Такође је укључивао генске сетове укључене у ендоцитозу и егзоцитозу, секрецију неуротрансмитера, дуготрајну потенцирање (Стуцхлик, 2014), сигнализацију глутаматних рецептора и морфогенезу пројекције неурона (Касаи ет ал., 2010). Негативни кластер Н1 повезан је са процесима транскрипције и транслације (Јароме и Хелмстеттер, 2014; Алберини и Кандел, 2015), а кластер Н2 са диференцијацијом глијалних ћелија и олигодендроцита (Хертз и Цхен, 2016; Пеппер ет ал., 2018).

Слика 2. Пример излаза анализе просторне сличности. Нивои експресије кортикалног гена који је повезан са горњом корелацијом, ГРБ14, је визуелизован као функција вокселске релевантности мапе Неуросинтх замеморијафункција (з резултат). Нормализована експресија гена (и-оса) уцртана у односу на з резултате мапе неуроимагинга (к-оса). Свака обојена линија регресије представља линију која најбоље одговара за сваког од шест донатора (боја); провидна трака око сваке линије представља процену интервала поверења од 95 процената.

Да бисмо идентификовали разлике и преклапања у кортикалним и субкортикалним генетским профилима, идентификовали смо и окарактерисали различите и заједничке (1) биолошке процесе као што је приказано на картама обогаћивања, и (2)меморијагени (тј. сви гени пронађени у 1 обогаћеном сету гена; слика 1Д). Открили смо ниско преклапање од 2,5 процената генских скупова (Н 3) и 9,6 процената гена (Н 135) између кортикалних и субкортикалних региона (слика 5; комплетна листа различитих и преклапајућих гена налази се у проширеним подацима на слици. {{9 }}). Гени који се преклапају били су укључени у процесе транспорта протеина, транскрипциону регулацију, синаптичку пластичност и сигнализацију глутаматних рецептора у вези са меморијом (Пенг ет ал., 2011; Росенберг ет ал., 2014; Алберини и Кандел, 2015; Табела 2; пун излаз скупови гена и гени из Топ-пГене у Ектендед ДатаТабле 2-1). То укључује гене укључене у комплекс Арп2/3, јонске канале који су повезани са лигандом ГАБА и АМПА који су критични за функцију памћења (Гасбарри и Помпили, 2014; Басу ет ал., 2016; Такемото ет ал., 2017; Табела проширених података { {23}}). Гени специфични за кортекс били су укључени у процесе повезане са памћењем, као што су поправка ДНК, епигенетска регулација, имунитет и ИФН сигнализација (Марин и Кипнис, 2013; Литтељохн ет ал., 2014; Ким и Каанг, 2017; Хоу ет ал., 2018 ; Ектендед ДатаТабле 2-1). Гени специфични за субкортекс укључени су у неурогенезу, морфогенезу дендрита, диференцијацију глијалних ћелија и мијелинизацију (Хертз и Цхен, 2016; Као ет ал.,

Слика 3. Визуелизација мапе обогаћивања за кортикалнимеморија. Кластери су означени са П за позитивне, Н за негативне. Утврђено је да су скупови гена повезани самеморија. Позитивни кластери су били повезани са имунолошком сигнализацијом, транспортом калцијума и склопом актинских филамената. Негативни кластер је садржао генске сетове укључене у динамику хроматина и епигенетску регулацију. Погледајте слику проширених података 3-1 за комплетан резултат ГСЕА унапред рангираних.

2018; Пеппер и др., 2018; Проширена табела података 2-1). Имајте на уму да се исти скуп гена може појавити иу биолошким процесима специфичним за кортик и у субкортикалним специфичним. На пример, тхемеморијаскупови гена су обогаћени у оба региона, али у сваком случају, обогаћивање скупа гена је вођено различитим гени (Ектендед ДатаТабле 2-1). То је зато што различити гени могу бити релевантни за исти скуп гена за биолошки процес и тиме повећати обогаћивање.

Језгро диференцијално експримираних гена повезаних са кортикалним и субкортикалниммеморија

Да бисте идентификовали врх-10меморијагена који су највероватније повезани са људимамеморијафункцијаза будућа експериментална истраживања, идентификовали смо гене релевантне за вишеструке скупове гена добијене горе са ЛЕА (слика 1Е; Субраманиан ет ал., 2005; Дарби ет ал., 2016; Флеминг и Миллер, 2016). Претходни рад је показао да су такви гени који покрећу обогаћивање вишеструких скупова гена вероватније повезани са анализираним фенотипом, односно са меморијском функцијом у овом случају (Субраманиан ет ал., 2005; Дарби ет ал., 2016; Флеминг и Миллер, 2016). Комбинација ГСЕА и ЛЕА је раније била ефикасна у идентификацији генетских потписа когнитивних функција (Тхомассен ет ал., 2008; Ерсланд ет ал., 2012; Лее ет ал., 2013), укључујући епизодну и радну меморију (Хецк ет ал., 2014;

Линксис ет ал., 2015). Применили смо ЛЕА на скупове гена са позитивним и негативним бодовањем изнад, након чега је уследио избор најбољих-10 гена који се најчешће појављују у водећим подскуповима генских скупова. Ови гени су затим потврђени литературом о животињским моделима, која је класификована као јаки или слаби докази који подржавају везу између гена и меморијске функције (слика 1Ф). Јаки докази су се састојали од манипулација генима или студија лечења лековима, на пример, нокаут гена који је довео до промене меморије. Слаби докази обухватају корелационе или рачунарске студије, као што је повећање регулације гена која је у корелацији са побољшаниммеморијаперформансе.

За кортикалнемеморија, девет од 10 позитивно корелираних гена је раније било укључено умеморијафункција(Табела 3; комплетна листа кортикалних меморијских гена и преглед литературе Проширена табела података 3-1, комплетан ЛЕА излаз у табели проширених података 3-2). Гени ПРКЦД (Етцхеберригараи ет ал., 2004; Цонбои ет ал., 2009), РАЦ1 (Хадитсцх ет ал., 2009; Ох ет ал., 2010), ЛИМК1 (Тодоровски ет ал., 2015) и ЦДЦ42 ( Ким ет ал., 2014; Зханг ет ал., 2016) имали су јаке асоцијације на памћење. За одговарајуће негативно корелиране кандидатске гене, свих 10 гена је имало јаке доказе који подржавају њихову улогу у памћењу. Све су то били гени који кодирају протеин хистон Х4, који је био повезан са перформансама памћења (Пелег ет ал., 2010). Дерегулација ацетилације хистона Х4 код старијих мишева била је повезана са оштећењем памћења, а поновно успостављање ове регулације побољшало је њихово памћење.

Слика 4. Визуелизација мапе обогаћивања за субкортикалну меморију. Кластери су означени са П за позитивне, Н за негативне. Утврђено је да су скупови гена повезани са памћењем. Позитивни кластери су били повезани са синаптичким преносом, дуготрајном пластичношћу, глутаматном сигнализацијом и морфогенезом неурита. Негативни кластери су укључивали скупове гена укључених у транскрипцију и транслацију и диференцијацију глијалних ћелија. Погледајте слику проширених података 4-1 за комплетан резултат ГСЕА унапред рангираних.

За субкортикалну меморију, свих 10 позитивно корелираних гена је претходно било укључено у функцију памћења (табела 4; комплетна листа гена супкортикалне меморије и преглед литературе у табели проширених података 4-1; резултати ЛЕА у проширеној табели података 4-2). Гени ЦДК5, НЛГН1, РАБ3А, СТКС1А, СНЦА, СИТ1 и УНЦ13А били су снажно повезани са памћењем (Фујивара ет ал., 2006; Ианг ет ал., 2007; Лиу ет ал., 2009; Гуан ет ал., 2011; Кокхан ет ал., 2012; Бие ет ал., 2014; Мисхиба ет ал., 2014; Бохме ет ал., 2019). Седам од 10 гена кандидата у негативној корелацији имало је слабе доказе који их укључују у памћење. То су били гени који кодирају рибозомске подјединице, који су различито експримирани код глодара који се боље показујумеморијаперформансе (Ванг ет ал., 2003; Конг ет ал., 2009; Винбусх ет ал., 2012; Катз и Лампрецхт, 2015; Ока ет ал., 2016; Зханг ет ал., 2018).