Эпигенетическая МРТ: как измерить активность генов в живом мозге

Американские исследователи предложили новый подход к измерению уровня экспрессии генов в головном мозге. Метод позволяет выявить, как меняется активность генов, при которых структура ДНК остается прежней. Эпигенетическая МРТ, или eMRI, как ее назвали ученые, пока тестировалась только на поросятах, но должна работать и на людях. Статья еще не опубликована, ее препринт доступен на ресурсе bioRxiv.

Эпигенетика описывает то, как внешние стимулы (например, питание, физические нагрузки или работа в ночные смены) влияют на активность наших генов. Сильнее всего эпигенетические механизмы проявляются при развитии эмбриона, когда из клеток с одинаковой ДНК развивается множество специализированных клеток взрослого организма. 

Генная экспрессия может регулироваться с помощью различных механизмов. Одним из них становится метилирование ДНК — присоединение метильной группы (CH3) к некоторым цитозинам (азотистому основанию, входящему в состав нуклеотидов ДНК). Подобное изменение ДНК (включение или отключение того или иного гена) может сохраняться на всю жизнь, а иногда и передаваться от родителей детям.  

Чтобы оценить метилирование ДНК, нужно отщипнуть кусочек ткани и изучить его в лаборатории. Конечно, исследовать так живой человеческий мозг сложно. Поэтому ученые из Иллинойского университета решили попробовать применить неинвазивный подход. В его основе — метод магнитно-резонансной спектроскопии и специальная «диета», обогащенная нерадиоктивным метионином, содержащим изотоп 13C.  

Аминокислота метионин содержится в пище и входит в состав метильных групп — тех самых, которые, присоединяясь к цитозину, запускают эпигенетические механизмы. 13C-метионин проходит сквозь гематоэнцефалический барьер и включается в метильные группы, присоединенные к ДНК, а МРТ-спектроскопияпозволяет определить концентрацию этого вещества тканях головного мозга.

Уже известно , что метионин, меченый другим изотопом — радиоактивным 14C, накапливается в опухолевой ткани, поэтому его успешно используют при онкологических исследованиях головного мозга.

Метилирование ДНК изучали на поросятах. Их кормили молочной смесью, весь белок в которой заменили свободными аминокислотами. В рацион животных из основной группы входил 13C-метионин, в контрольной — обычный метионин. 

Часть поросят из обеих групп усыпили на 10-й день, а остальных — на 32-й. Затем ученые взяли ткани из одного полушария мозга, выделили из них ДНК и проанализировали наличие в ней производного 13C-метионина (13C-5-метилцитозина) с помощью жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии. Второе полушарие исследовали неинвазивно с помощью МРТ-спектроскопии.

По сравнению с контрольной группой, уровень 13C-5-метилцитозина через 10 дней увеличился на 3-4%, а спустя 32 дня — более чем на 12%. И жидкостная хроматография, и МРТ-спектроскопия показали схожие результаты. 

Любопытно, что уровень 13C-5-метилцитозина с 10-го по 32-й день вырос на 20%, что значительно большеувеличения массы растущего мозга у поросят за тот же период. По мнению авторов, причина заключается визменениии эпигенетической регуляции и, как следствие, общей экспрессии генов при развитии мозга.

С помощью нового метода нельзя измерить метилирование отдельных генов, но можно оценить картину в целом. В качестве аналогии авторы приводят фМРТ — метод, с помощью которого оценивают активность нейронов по изменению кровотока, не регистрируя при этом возбуждение каждой отдельной нервной клетки. Схожим образом можно будет узнать об экспрессии генов с помощью эпигенетической МРТ.

Авторы пока не дошли до испытаний in vivo, применять метод в клинической практике тоже будут не скоро. Но ученые надеются, что однажды их исследование поможет понять, как меняется мозг при болезнях, старении и под действием окружающей среды, например, при обучении.