Американські вчені розробили і протестували на поросятах методику неінвазивного аналізу епігенетичної регуляції (шляхом метилювання) ДНК різних відділів головного мозку. У ній використовується спеціальна дієта і спектроскопічна магнітно-резонансна томографія (сМРТ). Препринт роботи доступний на ресурсі bceRxiv.
Епігенетична (тобто не зачіпає послідовність ДНК) регуляція експресії генів відіграє вкрай важливу роль у формуванні та функціонуванні органів, а отже, і в розвитку різних захворювань. Стосовно мозку переконливо показано її зв'язок із широким спектром неврологічних, психічних і поведінкових розладів. Одним з основних типів епігенетичної регуляції служить метилювання ДНК, причому найбільше значення має метилювання цитозину в CpG-острівцях промоторів генів (чим вище його ступінь, тим нижче експресія).
Існуючі методи оцінки метилювання ДНК вимагають взяття фрагментів тканини, що робить їх непримінними для прямих досліджень мозку у людини (за винятком отриманих при операціях і посмертних зразків) і динамічного моніторингу у модельних тварин. Враховуючи високий практичний інтерес до подібної діагностики, співробітники Іллінойського університету в Урб Шампейні під керівництвом Кінга Лі (King Li) вирішили зробити її неінвазивною.
Ідея їхнього методу заснована на тому, що важкий нерадіоактивний ізотоп вуглецю 13C, якого в природі мало, відрізняється за магнітно-резонансним спектром від «звичайного» 12C. Оскільки донором метильних груп для цитозину виступає амінокислота метіонін, заміна її в їжі на вуглець-13 (13C-метіонін) повинна забезпечити епігенетичне маркування ДНК саме такими метильними групами (з утворенням 13C-5-метилцитозину). Оцінити рівень шуканого ізотопу в різних відділах мозку можна за допомогою відповідної модифікації зМРТ.
Під час розробки дослідники придбали дводенних поросят і почали відгодовувати їх молочною сумішшю, суха маса якої складалася на 30,4 відсотка з лактози, на 30,3 - з жиру і на 25,4 - з очищених амінокислот. При цьому суміш основної групи містила 0,5 відсотка 13C-метіоніну, а контрольної - стільки ж звичайного його варіанту. Частину тварин з обох груп умертвили на 10-й, інших - на 32-й день.
По одній півкулі мозку кожного порося препарували, виділили ДНК з різних відділів і проаналізували за допомогою мас-спектрометрії. Після 10 днів описаної дієти у восьми відібраних ділянках мозку тварин з контрольної групи спостерігалося підвищення рівня 13C-5-метилцитозину на 3-4 відсотки, через 32 дні - більш ніж на 12 відсотків. Це підтвердило ефективність харчового 13C-метіоніну для ізотопного маркування метильованої ДНК мозкової тканини.
Що цікаво, відносні темпи зростання рівня 13C-5-метилцитозину з 10-го по 32-й день значно перевищили динаміку збільшення маси як мозку, так і організму в цілому за вказаний період. На думку дослідників, це відображає зміни ступеня епігенетичної регуляції і, як наслідок, загальної експресії генів у процесі нормального розвитку центральної нервової системи.
У решті цільних півкулях мозку, занурених у перфторвуглецеве масло (для максимального наближення до умов), динаміку 13C-метилювання порівняно з контрольною групою визначили за допомогою 13C-ядерної сМРТ. Низьку чутливість цього методу вдалося компенсувати використанням поживної суміші з високоочищеним 13C-метіоніном, надвисокопольних томографів і вдосконалених алгоритмів обробки сигналу. Аналіз показав високу відповідність результатів зМРТ і мас-спектрометрії.
На закінчення дослідники успішно застосували сМРТ для картування просторового розподілу метильованої ДНК в цільних півкулях мозку. Найбільш сильні сигнали були отримані від шкаралупи, хвостатого ядра і таламусу, більш слабкі - від скроневої і потиличної часток.
Як зазначають автори роботи, розроблена методика, названа епігенетичною МРТ (ЕМРТ), не дозволяє оцінити метилювання окремих генів, однак і її дозволяюча здатність дає істотний обсяг інформації. В якості аналогії можна привести функціональну МРТ, яка дає картину активації різних ділянок мозку в реальному часі за вимірюванням інтенсивності кровотоку, при цьому не реєструючи збудження окремих нейронів.
Дослідження, яке поки не пройшло рецензування, має кілька очевидних обмежень. Наприклад, у ньому використовували новонароджених поросят, у яких метіонін засвоюється організмом і метаболізується в мозку значно інтенсивніше, ніж у дорослих тварин. Крім того, до стадії реальних випробувань автори поки не дійшли. Також при впровадженні ЕмРТ в клінічну практику вона зможе визначити лише динаміку метилювання ДНК під час вживання міченої амінокислоти, але не його вихідний рівень. Незважаючи на це, розробка відкриває широкі перспективи для нейробіологічних досліджень.
Раніше співробітникам Массачусетської лікарні загальної практики вдалося простежити в реальному часі інший (за сучасними даними, менш значущий) процес епігенетичної регуляції роботи мозку - ацетилювання пов'язаних з ДНК білків-гістонів. Для цього вони використовували позитронно-емісійну томографію з радіофармакологічним препаратом мартіностатом, позначеним радіоактивним вуглецем-11.