In december 2018 zijn er zeven artikelen ‘back-to-back’ gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Science over de pathogenese van psychiatrische stoornissen. Eén artikel in Science is natuurlijk al prachtig. Een droom voor elke onderzoeker. Maar zeven artikelen die allemaal op elkaar aansluiten in één keer publiceren? Dat is ongekend. Wat staat er dan in dat het zo bijzonder maakt?
Vandaag het derde artikel: Transcriptome and epigenome landscape of human cortical development modeled in organoids.
De zeven artikelen in Science (zie referenties onderaan) beschrijven onderzoek van het PsychEncode consortium. Dit consortium heeft zich als doel gesteld om te begrijpen hoe de geïdentificeerde genetische risicofactoren voor psychiatrische ziekten hersenontwikkeling en hersenfunctie beïnvloeden. Voor dit onderzoek werd hersenmateriaal van 2000 individuen op verschillende manieren onderzocht en dit werd weer gekoppeld aan de genetische risicofactoren.
De inhoud van deze artikelen is, net als de materie waarover ze gaan, uiterst complex. Begrippen als noncoding RNA, eQTL, chromosomal connectomes, epigenome landscapes, differential splicing, vliegen de lezer om de oren. Voor wie het wat te ver gaat om in deze donkere dagen met deze editie van Science lekker voor het haardvuur te kruipen, zullen we ze in de maand maart 2019 één voor één samenvatten. We zullen hierbij proberen om de hoofdboodschap simpel uit te leggen zodat elke psychiater, jong dan wel oud, kan meegenieten.
Transcriptome and epigenome landscape of human cortical development modeled in organoids.
Achtergrond: Er zijn steeds meer aanwijzingen dat bij verschillende neuropsychiatrische aandoeningen (waaronder schizofrenie, ASS en verstandelijke beperking) in elk geval een deel van de pathologische veranderingen in het brein in de vroege, embryonale ontwikkeling optreden. De uitkomsten van genetisch onderzoek laten zien dat de verantwoordelijke genen vooral in het niet-coderende deel van het DNA gelegen zijn. Dit deel van het DNA bevat geen blauwdruk voor eiwitten, maar zit wel vol regulerende elementen, die bepalen wanneer welk gen wordt afgelezen. Het onderzoek van de zeer vroege ontwikkeling van het brein wordt bemoeilijkt door de beperkte beschikbaarheid van embryonaal weefsel. Zogenaamde brein-organoids kunnen hierin de uitkomst bieden, als model voor de situatie in-vivo.Passend bestempeld als ‘ex-vivo’model, worden organoids gemaakt door van een donor perifere cellen te oogsten (meestal fibroblasten), die na het toevoegen van verschillende epigenetisch actieve stoffen worden ‘teruggeprogrammeerd’ tot stamcel, de iPSC. Deze stamcellen kunnen vervolgens worden ge-herprogrammerd tot verschillende celtypes, afhankelijk van het gekozen ‘recept’, het differentiatie-protocol. Bij bepaalde protocollen onstaan in de kweekschaal, met de tijd, verschillende subtypes hersencellen, door elkaar, zeer dichtbij hoe dit proces in utero plaatsvindt. Na een rijpings-proces van enkele weken ontstaat er zo een functioneel mini-brein: de brein-organoid. Om te bepalen hoe betrouwbaar en geschikt zo’n organoid is als model voor het onderzoek naar de regulerende delen van het DNA in de context van neuropsychiatrische aandoeningen, hebben de onderzoekers uitgezocht in hoeverre het transcriptoom en de activiteit van een specifiek deel van het niet-coderende DNA, de ‘enhancers’, overeenkomt tussen brein-organoids en cellen direct verkregen uit ‘echt’ embryonaal weefsel.
Methode: Van drie post-mortem foetale breinen, met een leeftijd van 15 tot 17 weken post-conceptie, werden corticale hersencellen geisoleerd. Van dezelfde donoren werden iPSC-cellen gemaakt, die vervolgens zijn gekweekt tot een bepaald type (telencephalon-achtig) brein-organoid, dat vooral corticale cellen bevat. De organoids werden op 4 verschillende tijdspunten geoogst en geanalyseerd om zo bij verschillende ontwikkelingsstadia een moment-opname te verkrijgen van het transcriptoom en de epigenetische markers (d.m.v. RNA-sequencing en Chip-sequencing.) Dezelfde analyse werd gedaan op direct geoogste foetale (zgn. primaire) corticale cellen van dezelfde donors. Vervolgens vergeleken de onderzoekers de uitslagen tussen organoids (het model) en de primaire corticale cellen. Zij gingen nog een stap verder en vergeleken deze data met de Psychencode database (met hierin eerder verkregen data van humane embryonale stamcellen en post-mortem breinen van verschillende leeftijden) en een ASS-risicogen database.
Uitkomst: Ten eerste blijkt er een grote overlap te zijn (35%) van de transcriptomen en epigenetische markers van de organoids en primaire foetale cellen. Hetzelfde gold in vergelijking met humane embryonale stamcellen. Wel bleken de organoids in hun transcriptoom en epigenetisch profiel meer te lijken op vroege embryonale cellen (8-16 weken oud), terwijl de profielen van de foetale cellen van dezelfde donor precies pasten bij hun leeftijd, namelijk rond de 16 weken oud. Van de 4 verschillende tijdspunten bleek het transcriptoom op het eerste tijdspunt, bij de overgang van stamcel naar de voorlopercel van het neuron, het meest te veranderen. Ten slotte vonden de onderzoekers een correlatie van dezelfde actieve enhancers in de foetale corticale cellen en organoids met gen-mutaties die eerder werden gevonden bij de-novo ASS patienten.
Wat betekent dit: Brein-organoids vormen een geschikt model om de genetische en epigenetische processen van het jongste foetale brein te onderzoeken, en komen overeen met een ontwikkelingsstadium van 8-16 weken oud. Bovendien geeft het onderzoek van een organoid, met de mogelijkheid van analyse op verschillende tijdspunten, veel meer inzicht in de dynamiek van deze processen dan de analyse van een eenmalig geoogste foetale cel. De grootste verandering van het genetische ‘apparaat’ is juist op de overgang van stamcel naar neurale voorlopercel te zien; op een tijdspunt dat in feite niet te analyseren is met gebruik van primaire cellen. De organoid geeft onderzoekers dus een unieke, voorheen onmogelijke, inkijk in het zich ontwikkelende foetale brein. Ten slotte tonen de onderzoekers aan dat organoids niet alleen een betrouwbaar model zijn, maar ook een relevant model, omdat de novo-mutaties in het niet-coderend deel van het DNA van ASS patienten letterlijk actiefterug te vinden zijn in de organoid als spelers bij het aflezen van bepaalde genen.
Wat maakt dit onderzoek uniek: Dit onderzoek is het eerste in zijn soort dat (epi)genetische data van brein-organoids correleert met primaire foetale corticale cellen en ouder breinfweefsel, om na dit ‘proof of concept’ verder te gaan en de gevonden actieve epigenetische elementen te correleren met een ziekte-risicogen database. De onderzoekers bewijzen zo eerst de validiteit van organoids als model, en vervolgens ook de huidige en toekomstige klinische relevantie van het model.
Openstaande vragen: De onderzoekers correleren hun data in dit artikel alleen met een ASS risicogendatabase, herhaling van dezelfde analyses met gebruik van risicodatasets van andere neurpsychiatrische aandoenignen zou zeer interessant zijn. Verder is de vraag welk deel van de bij neuropsychiatrische beelden veronderstelde pathologische veranderingen gevangen kan worden in de ‘leeftijd’ van 0-16 weken na de conceptie. Het is aannemelijk dat een deel van de pathologische processen pas later in de ontwikkeling plaatsvindt, maar de betrouwbaarheid van brein-organoids voor onderzoek naar deze latere stadia is onduidelijk. Nader onderzoek is hiervoor nodig en zal kunnen wijzen op noodzaak voor nieuwe differentiatie-protocollen. Daarbij wordt de ethische vraag, in hoeverre een organoid beschouwd moet worden als cel-cultuur dan wel als levende foetus, steeds relevanter.
Verklarende woordenlijst
- iPSC = induced pluripotent stem cell. Na het epigenetisch herprogrammeren van een perifere cel ontstaat een pluripotente stamcel
- Brein-organoid = een complexe celkweek in de vorm van een mini-brein, bestaand uit verschillende soorten hersencellen en hun voorlopers, waarbij verschillende lagen te onderscheiden zijn, min of meer gelijk aan de situatie in vivo
- differentiatie-protocol: het ‘recept’ van toevoegen van verschillende epigenetisch actieve stoffen die de iPSC doen uitgroeien tot gedifferentieerde cellen, en uiteindelijk tot organoid
Referenties (met link origineel artikel en DJP bespreking)
- An, J.-Y. et al. Genome-wide de novo risk score implicates promoter variation in autism spectrum disorder. (Origineel ; DJP)
- Rajarajan, P. et al. Neuron-specific signatures in the chromosomal connectome associated with schizophrenia risk. (Origineel ; DJP)
- Amiri, A. et al. Transcriptome and epigenome landscape of human cortical development modeled in organoids. (Origineel ; DJP)
- Gandal, M. J. et al. Transcriptome-wide isoform-level dysregulation in ASD, schizophrenia, and bipolar disorder. (Origineel ; DJP)
- Zhu, Y. et al. Spatiotemporal transcriptomic divergence across human and macaque brain development. (Origineel ; DJP)
- Wang, D. et al. Comprehensive functional genomic resource and integrative model for the human brain. (Origineel ; DJP)
- Li, M. et al. Integrative functional genomic analysis of human brain development and neuropsychiatric risks. (Origineel ; DJP)
