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Erbgutschnipsel beeinflussen Gehirnmerkmale

Studie zur genetischen Architektur der Großhirnrinde

Jülich / Los Angeles / Herston, 20. März 2020 – Wissenschaftler haben erforscht, welchen Einfluss Gene auf die Ausformung der menschlichen Hirnstruktur haben. Es gelang ihnen, über 300 Stellen im menschlichen Genom zu identifizieren, die wesentlichen Einfluss auf die Ausbildung der Struktur des Gehirns haben. Die internationale Studie, an der mehr als 360 Wissenschaftler aus 184 Zentren beteiligt waren, wertete Daten von über 50.000 Menschen aus, und konnte zeigen, dass es Zusammenhänge gibt zwischen Struktur der Großhirnrinde und Hirnfunktion – und auch zu Krankheiten wie etwa Parkinson, ADHS, Depressionen und Schlaflosigkeit. Die Studie wurde heute im renommierten Fachmagazin Science veröffentlicht.

Die Großhirnrinde – oder auch zerebraler Kortex – bildet die äußere Nervenzellschicht unseres Gehirns. Sie ist zwischen 2 und 5 Millimeter dick und ist zuständig für Geruch, Gehör und Sprache, Tastsinn und Geschmack, Sehen, Bewegung, Denkvorgänge. Die Großhirnrinde ist die Grundlage unserer komplexen kognitiven Fähigkeiten.

Man weiß, dass die Unterschiede im Aufbau der Großhirnrinde zwischen einzelnen Menschen, speziell in ihrer Oberfläche und Dicke, Einfluss auf unsere neurologischen und psychologischen Merkmale sowie unser Verhalten haben. Welche genetischen Faktoren diese Variabilität der Großhirnrinde aber beeinflussen, war bisher systematisch noch nicht untersucht worden.

Das internationale Forscherkonsortium ENIGMA (Enhancing Neuro Imaging Genetics through Meta-Analysis) hat eine großangelegte Untersuchung durchgeführt, wie genetische Varianten die Struktur der Großhirnrinde beeinflussen. Die Wissenschaftler analysierten Hirnscan-Aufnahmen von 51.665 erwachsenen Menschen, aus denen Daten zur Oberfläche und Dicke in 34 unterschiedlichen Regionen der Großhirnrinde ermittelt wurden. Die Forscher glichen diese Daten, die aus 60 bevölkerungsbasierten Kohortenstudien stammten – unter anderen der 1000-Gehirne-Studie des Forschungszentrums Jülich – an jeweils bis zu 10 Millionen variablen Stellen des Genoms miteinander ab.

Für ihre Analyse nutzen die Forscher Erbgutschnipsel namens SNPs (ausgesprochen als "snips"). "Dabei handelt es sich um Markierungen für häufig auftretende Unterschiede in einzelnen DNA-Bausteinen, die den größten Anteil genetischer Variabilität im Menschen ausmachen", erklärt Sven Cichon, Humangenetiker und Arbeitsgruppenleiter am Institut für Neurowissenschaften und Medizin in Jülich. "Ein typischer SNP ist eine Stelle im Genom, an der über die gesamte Bevölkerung gesehen zwei Varianten vorkommen, z. B. entweder der DNA-Bausteine Cytosin oder Thymin." SNPs kommen gleichmäßig verteilt in der gesamten DNA einer Person vor, mehrere Millionen allein im Genom einer Person. Manche dieser SNPs beeinflussen individuelle Merkmale, wie das Aussehen, Begabungen, die Anfälligkeit für Toxine oder bestimmte Krankheiten. Ein wichtiges Ziel biomedizinischer Forschung ist es, solche SNPs zu identifizieren. Da SNPs oft Einfluss auf die Funktion bestimmter Gene haben, können hieraus wichtige Erkenntnisse über die molekularen Prozesse abgeleitet werden, die bestimmten individuellen Merkmalen zugrunde liegen.

Das ENIGMA-Konsortium konnte nun 306 SNPs identifizieren, die sich auf die Dicke und Oberfläche der Großhirnrinde auswirken. Insgesamt lässt sich durch den Einfluss von SNPs etwa ein Drittel (34 Prozent) der in der Bevölkerung beobachteten Variabilität in der Oberfläche der Hirnrinde erklären, sowie etwa ein Viertel (26 Prozent) der Unterschiede in ihrer durchschnittlichen Dicke. "Häufige genetische Varianten, die jeder Mensch in sich trägt, machen also einen bedeutenden Anteil an der Ausbildung der menschlichen Großhirnrinde aus", folgert Thomas Mühleisen, Biologe in der Arbeitsgruppe Cichon.

Suche nach dem Einfluß von genetischen Faktoren auf strukturelle Merkmale der GroßhirnrindeSuche nach dem Einfluss von genetischen Faktoren auf strukturelle Merkmale der Großhirnrinde: Unterschiede in der Oberfläche und Dicke der Hirnrinde wurden mit Magnetresonanztomografie in zehntausenden Erwachsenen gemessen und gemeinsam mit Millionen von DNA-Bausteinen statistisch analysiert. Die Assoziation zwischen zwei Bausteinen (SNPs) und zwei Regionen ist farblich exemplarisch hervorgehoben. Das Gehirnbild wurde freundlicherweise überlassen von Tyler Ard, James Stanis, und Arthur Toga vom Stevens Neuroimaging and Informatics Institute, Keck School of Medicine of the University of Southern California, USA.
Copyright: Tyler Ard, James Stanis, und Arthur Toga vom Stevens Neuroimaging and Informatics Institute, Keck School of Medicine of the University of Southern California, USA / Forschungszentrum Jülich

"Wir beobachteten hochsignifikante Assoziationen zwischen einzelnen SNPs und der Gesamtoberfläche des zerebralen Kortex", erklärt Svenja Caspers, Anatomin und Arbeitsgruppenleiterin am Forschungszentrum Jülich sowie verantwortlich für die Jülicher 1000-Gehirne-Studie. "Insbesondere zeigten sich Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen der Gesamtoberfläche sowohl mit der allgemeinen kognitiven Funktion als auch mit dem Bildungsniveau der Testpersonen", ergänzt Christiane Jockwitz, Psychologin aus der Arbeitsgruppe Caspers. "Darüber hinaus fanden wir im Abgleich mit genetischen Daten von Patienten auch Zusammenhänge zwischen der Gesamtoberfläche und der Parkinson-Krankheit", ergänzt Cichon. "Allerdings deutete nichts darauf hin, dass die Krankheit dadurch verursacht wird." Auch SNPs für Schlaflosigkeit, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS), depressive Symptome, schwere depressive Störungen und Neurotizismus korrelieren mit der Gesamtoberfläche des zerebralen Kortex.

Die Analyse der Funktionsweise und Aktivität der gefundenen Gene legt nahe, dass SNPs, die die Größe der Oberfläche der Großhirnrinde beeinflussen, in der frühen Entwicklung beim Embryo aktiv sind. "SNPs, die mit der durchschnittlichen Dicke der Hirnrinde korrelieren, weisen dagegen auf Gene hin, die an Entwicklungsprozessen im späteren Embryonalstadium beteiligt sind", erklärt Cichon weiter. Dazu gehören beispielsweise die Verzweigung und Auf- und Abbau von Synapsen, ebenso wie die Isolierschicht der Nervenfasern, die sogenannte Myelinisierung.

Werden diese Ergebnisse zusammen betrachtet, unterstützen sie die Hypothese, dass die Ausdehnung der Oberfläche und Zunahme der Dicke der Hirnrinde durch unterschiedliche Entwicklungsmechanismen gefördert werden. "Dies entspricht dem sogenannten Radial-Unit-Modell der neuronalen Wegfindung", so Caspers. "Das Modell beschreibt die Entwicklung der kortikalen Schichten des menschlichen Gehirns mithilfe von speziellen Zellen im Nervengewebe, den Gliazellen, die als Gerüst wirken und Nervenzellen, die daran entlang wandern und die Schichtung aufbauen. Kein anderes Organ im menschlichen Körper wird auf diese Weise gebildet."

Originalpaper: The genetic architecture of the human cerebral cortex, by Katrina L. Grasby et al., Science 20 Mar 2020, Vol. 367, Issue 6484, eaay6690, DOI: 10.1126/science.aay6690

Weitere Informationen:

Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Strukturelle und Funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1)

Homepage der AG Genomic Imaging (englisch)

Homepage der AG Konnektivität

Website des ENIGMA-Konsortiums (englisch)

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Sven Cichon
Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Strukturelle und Funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1)
Arbeitsgruppe Genomic Imaging
Tel.: +49 2461 61-6443‬
E-Mail: s.cichon@fz-juelich.de

Prof. Dr. Dr. Svenja Caspers
Institut für Neurowissenschaften und Medizin, Strukturelle und Funktionelle Organisation des Gehirns (INM-1)
Arbeitsgruppe Konnektivität
Tel.: +49 2461 61-1742
E-Mail s.caspers@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de


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