Grâce à une subvention de 126 millions de dollars sur cinq ans des National Institutes of Health (NIH), une équipe dirigée par des scientifiques du Salk Institute a lancé un nouveau Center for Multiomic Human Brain Cell Atlas. Fait partie des NIH Recherche sur le cerveau grâce à l’avancement des neurotechnologies innovantes® (BRAIN) Initiative, le projet vise à décrire les cellules qui composent le cerveau humain avec des détails moléculaires sans précédent, à classer les cellules cérébrales en sous-types plus précis et à identifier l’emplacement de chaque cellule dans le cerveau. De plus, l’équipe suivra l’évolution de ces fonctionnalités du début à la fin de la vie.
L’objectif est de mieux comprendre comment les cerveaux humains neurotypiques fonctionnent et vieillissent. Le projet établira également une base de référence par rapport à laquelle les scientifiques pourront comparer des cerveaux avec des conditions neurologiques ou psychiatriques telles que la maladie d’Alzheimer, l’autisme, la dépression et les lésions cérébrales traumatiques.
La carte du cerveau que nous développons pourrait aider à orienter les chercheurs sur les maladies dans la bonne direction ; par exemple, nous pourrions dire que c’est la région du génome, dans ce sous-ensemble spécifique de neurones, dans cette partie du cerveau, où un événement moléculaire tourne mal pour causer cette maladie. Et en fin de compte, ces informations pourraient nous aider à concevoir des thérapies géniques qui ciblent uniquement les populations de cellules où le traitement est nécessaire ; fournir les bons gènes au bon endroit au bon moment. »
Joseph Ecker, chef de centre, professeur, directeur du laboratoire d’analyse génomique de Salk et chercheur du Howard Hughes Medical Institute
Outre Ecker, le Center for Multiomic Human Brain Cell Atlas comprend Margarita Behrens, professeure de recherche à Salk, Bing Ren à UC San Diego, Xiangmin Xu à UC Irvine et Ting Wang à Washington University à St. Louis.
Salk recevra environ 77 millions de dollars du financement du centre, ce qui en fait la plus grande subvention unique que l’Institut ait reçue au cours de ses 62 ans d’histoire.
Débuts
Le Center for Multiomic Human Brain Cell Atlas, qui fait partie du nouveau réseau BRAIN Initiative Cell Atlas du NIH, s’appuie sur un effort de cinq ans pour cartographier le cerveau de la souris, un projet connu sous le nom de BRAIN Initiative Cell Census Network. Un numéro spécial de La nature publié en octobre 2021 a décrit les résultats de cet effort, y compris la façon dont différents types de cellules sont organisés et connectés dans le cerveau de la souris.
« Semblable à la façon dont nous avons appris les voyages dans l’espace lors de courts voyages sur la lune, le projet de cartographie du cerveau de la souris nous a beaucoup appris sur la façon d’aborder un cerveau beaucoup plus gros et les types d’informations génomiques dont nous aurions besoin pour pouvoir vraiment cartographier le cerveau humain », dit Behrens. « Ce projet est un exemple de la façon dont le travail d’équipe peut être fructueux en science ; ces types de projets ne peuvent pas être réalisés dans un seul laboratoire. »
Cartographier le cerveau humain
Au Center for Multiomic Human Brain Cell Atlas, les chercheurs examineront 1 500 échantillons de cerveau (30 cerveaux humains de différents âges, 50 régions chacun). Le centre s’intéresse principalement à l’épigénétique ; les événements moléculaires qui déterminent si les gènes sont activés ou désactivés dans un type de cellule donné ou à un moment donné ; plutôt que les séquences génétiques de chaque cellule. Le centre prendra également en compte quelles cellules vivent où. L’emplacement est important parce que les cellules se parlent, dit Ecker.
Les membres de l’équipe UC Irvine géreront principalement l’acquisition d’échantillons de cerveau. Les scientifiques de Salk isoleront chaque noyau de chaque cellule individuelle dans chaque région et enregistreront des détails moléculaires tels que l’architecture de la chromatine et la méthylation de l’ADN (c’est-à-dire la structure 3D des chromosomes et la façon dont ils sont modifiés avec des étiquettes chimiques.) À l’UC San Diego, le laboratoire de Ren se penchera sur les modifications de la chromatine et l’expression des gènes.
« Essentiellement, nous voulons prendre des millions, voire des centaines de millions de cellules cérébrales, apprendre tout ce que nous pouvons sur leur épigénétique et la façon dont leur chromatine est organisée et les projeter dans un contexte spatial afin que nous puissions voir où vivent ces cellules et comprendre comment toutes les cellules de n’importe quelle région du cerveau sont organisées et à n’importe quel âge », explique Ecker, qui détient également la chaire Salk International Council in Genetics.
« Pour le moment, nous n’avons presque aucune donnée de ce genre pour le cerveau humain. »
Technologie et données
En règle générale, lorsque les chercheurs étudient une seule cellule, la cellule est retirée du reste du cerveau, ce qui limite les conclusions qui peuvent être tirées. Pour surmonter cela, l’équipe d’Ecker utilisera une nouvelle technique appelée transcriptomique spatiale pour distinguer les cellules par leurs données génétiques et utiliser ces informations pour cartographier les cellules à leur emplacement d’origine.
Bon nombre des autres techniques que l’équipe appliquera ont été développées par les chercheurs eux-mêmes. Par exemple, l’équipe d’Ecker a passé cinq ans à développer snmCATseq, une technologie qui analyse simultanément l’ADN, l’ARN et la chromatine ouverte d’une seule cellule.
Ecker estime que son laboratoire générera à lui seul 11 pétaoctets de données brutes au cours du projet ; l’équivalent de 171 875 clés USB (64 Go chacune) ; soulignant l’expertise et les ressources du centre en biologie computationnelle, stockage et analyse de données. Les membres de l’équipe de l’Université de Washington seront responsables de la gestion et de l’intégration des données.
« Avec l’annonce des prix BICAN, nous effectuons une transition passionnante dans le programme global de recensement cellulaire de l’Initiative BRAIN, qui a débuté en 2014 », a déclaré John Ngai, directeur de l’Initiative NIH BRAIN. « Ces prix permettront aux chercheurs d’explorer les caractéristiques multiformes des plus de 200 milliards de neurones et de cellules non neuronales du cerveau humain avec des détails et une échelle sans précédent ; un exploit dans les technologies de pointe et la collaboration de recherche entre équipes qui révélera de nouveaux paradigmes. pour comprendre comment des changements pathologiques dans des groupes particuliers de cellules cérébrales pourraient provoquer des troubles neurologiques et neuropsychiatriques. »
