Dans une nouvelle étude publiée dans Scienceune équipe de recherche belge explore comment les commutateurs génétiques contrôlant l'activité des gènes définissent les types de cellules cérébrales à travers les espèces. Ils ont formé des modèles d'apprentissage en profondeur sur les données sur le cerveau humain, de souris et de poulet et ont constaté que si certains types de cellules sont hautement conservés entre les oiseaux et les mammifères après des millions d'années d'évolution, d'autres ont évolué différemment. Les résultats ont non seulement jeté un nouvel éclairage sur l'évolution du cerveau; Ils fournissent également des outils puissants pour étudier comment la régulation des gènes façonne différents types de cellules, entre les espèces ou les différents états pathologiques.
Notre cerveau, et par extension de tout notre corps, est composé de nombreux types de cellules différents. Bien qu'ils partagent le même ADN, tous ces types de cellules ont leur propre forme et fonction. Ce qui rend chaque type de cellule différent, c'est un puzzle complexe que les chercheurs ont essayé de rassembler pendant des décennies à partir de séquences d'ADN courtes qui agissent comme des commutateurs, contrôlant les gènes activés ou désactivés. La régulation affinée de ces commutateurs garantit que chaque type de cellule cérébrale utilise juste les bonnes instructions génétiques du génome pour jouer son rôle unique. Les scientifiques se réfèrent aux modèles uniques de ces commutateurs génétiques comme un code réglementaire.
Sommaire
Ai pour casser le code
Le professeur Stein Aerts et son équipe de VIB.AI et du VIB-Ku Leuven Center for Brain & Disease Research étudient les principes fondamentaux de ce code réglementaire, et comment il peut avoir un impact sur les maladies telles que le cancer ou les troubles cérébraux. Ils développent des méthodes d'apprentissage en profondeur pour aider à donner un sens à l'énorme quantité d'informations sur la régulation des gènes qu'ils rassemblent auprès de milliers et de milliers de cellules individuelles.
Les modèles d'apprentissage en profondeur travaillant avec le code de séquence d'ADN nous ont énormément aidés à identifier les mécanismes de régulation à travers différents types de cellules. Maintenant, nous voulions explorer si ce code réglementaire pourrait également nous informer de la façon dont ces types de cellules sont conservés entre les espèces. «
Prof. Stein Aerts, VIB
Un exemple d'une telle question est très pertinent dans le cerveau. Malgré les trajectoires de développement partagées, le cerveau des mammifères et des oiseaux présente une neuroanatomie étonnamment différente. AERTS et son équipe ont maintenant appliqué des modèles d'apprentissage en profondeur pour évaluer si les différences et les similitudes existantes se reflètent dans les codes réglementaires partagés ou divergents.
Outil pour étudier l'évolution
Nikolai Hecker et Niklas Kempynck, respectivement postdoc et doctorant dans le laboratoire Aerts, ont développé et mis en œuvre des modèles d'apprentissage automatique pour caractériser et comparer différents types de cellules à travers les cerveaux humains, de souris et de poulet, couvrant environ 320 millions d'années d'évolution. Mais avant qu'ils ne puissent vraiment comparer, ils devaient d'abord mieux comprendre la composition de type cellulaire du cerveau de poulet, ils ont donc créé un atlas transcriptomique complet.
Notre étude montre comment nous pouvons utiliser l'apprentissage en profondeur pour caractériser et comparer différents types de cellules en fonction de leurs codes de régulation. Nous pouvons utiliser ces codes pour comparer les génomes de différentes espèces, identifier les codes de régulation ont été préservés de manière évolutive et obtenir des informations sur la façon dont les types de cellules ont évolué. «
Nikolai Hecker
L'équipe a constaté que, même si certains codes de type cellulaire réglementaire sont hautement conservés entre les oiseaux et les mammifères, d'autres ont évolué différemment. Notamment, les codes de régulation de certains neurones d'oiseaux ressemblent à ceux des neurones de couche profonde dans le néocortex des mammifères.
« En regardant directement le code de réglementation présente un avantage significatif. Il peut nous dire quels principes de réglementation sont partagés entre les espèces, même si la séquence d'ADN elle-même a changé. »
Niklas Kempynck
Outil pour étudier la maladie
Ces informations réglementaires sont utiles au-delà de la compréhension de l'évolution. Dans les travaux antérieurs, AERTS et son équipe ont déjà vérifié que les codes réglementaires pour les états des cellules du mélanome (cancer de la peau) sont conservés entre les mammifères et le poisson zèbre. Ils ont également identifié des variantes dans les génomes des patients atteints de mélanome. Les modèles présentés dans la présente étude sur les types de cellules cérébrales fournissent des outils utiles pour étudier l'impact des variantes génomiques et leur association avec les traits et troubles mentaux ou cognitifs.
En fin de compte, les modèles qui apprennent le code de régulation génomique maintiennent le potentiel de filtrer les génomes et d'étudier la présence ou l'absence de types de cellules ou d'états cellulaires spécifiques dans toute espèce. Ce serait un outil puissant pour étudier et mieux comprendre la maladie. «
Prof. Stein Aerts
Au zoo
Aerts et son équipe appliquent déjà leurs modèles sur les deux fronts, dit-il:
« En collaboration avec le Zoo Science and Wildlife Rescue Center, nous élargissons maintenant notre modélisation évolutive à de nombreux autres cerveaux animaux: différents types de poissons à mon cher, les hérissons et les capibaras. En même temps, nous explorons également comment ces modèles IA peuvent Aide à démêler la variation génétique liée à la maladie de Parkinson. «
