Analysis of epigenetic and neuronal circuit changes in autism on the single-cell level

单细胞水平分析自闭症的表观遗传和神经元回路变化

基本信息

  • 批准号:
    10696952
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 24.75万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-02 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary/Abstract Autism Spectrum Disorder (ASD) is a neurodevelopmental disease affecting almost 2% of children in the US alone. Despite its genetic and clinical heterogeneity, recent systems biology and genomics studies demonstrated that ASD converges on a specific set of cellular pathways. Epigenetic regulation and synaptic signaling emerged as the two most prominent pathways in ASD, with many high-confidence genetic risk factors and dysregulated genes involved in these processes. This observation prompted a hypothesis that epigenetic dysregulation leads to improper neuronal circuit development and function, which has been demonstrated in mouse models of epigenetic regulators recurrently mutated in ASD, such as CHD8 (Chromodomain Helicase DNA Binding Protein 8). However, the exact epigenetic changes, cell types they affect and the neuronal circuitry changes resulting from epigenetic dysregulation in ASD are unknown. Recently, single-cell genomics approaches, including single- cell RNA sequencing and single-cell ATAC sequinning, offered unprecedented new level of detail of cellular and molecular composition of the brain, as well as processes underlying its development. In my postdoc, I applied single-nucleus RNA sequencing to human post-mortem cortical tissue from ASD patients to gain insight into the molecular changes associated with ASD in specific neuronal and glial subtypes. One of the most important insights from this work is the implication of upper-layer cortical neurons as the cell type most affected by ASD- associated transcriptional changes. This observation raises questions about the origin and functional effects of such changes on specific neuronal circuits. As part of the Aim 1 of my K99 proposal, I will test the hypothesis that gene expression changes in ASD are driven by changes in epigenetic states of specific cell types. To that end, I will perform a joint RNA-seq and ATAC-seq profiling of neocortical tissue of ASD patients and controls to identify cell type-specific epigenetic changes. Then, I will develop and test a high-throughput synaptic tracing technique by combining barcoded rabies virus library with single-nucleus RNA sequencing (Aim 2 of K99 phase). Finally, using the training, tools and preliminary data from the K99 phase of my proposal, I will launch an independent research project that focuses on investigating cell-type specific epigenetic and neuronal circuitry changes in the Chd8+/ mouse model during development (R00 phase). I will first apply the joint RNA-seq/ATAC- seq protocol to study epigenetic changes in specific cell types during development caused by the loss of one of Chd8 alleles. By crossing the Chd8+/ mouse with reporter lines expressing Cre recombinase in specific neuronal subtypes, such as upper-layer cortical neurons (Cux2-Cre), I will be able to use the barcoded rabies virus library and single-nucleus RNA-seq to identify changes in specific components of cortical circuitry as the result of Chd8 haploinsufficiency. I believe that the K99-R00 award will allow me to form a unique research direction and establish myself as a successful independent investigator in the area of autism and single-cell genomics.
项目摘要/摘要 自闭症谱系障碍(ASD)是一种神经发育疾病,影响美国近2%的儿童 独自的。尽管具有遗传和临床异质性,但最近的系统生物学和基因组学研究表明 该ASD在一组特定的细胞途径上收敛。出现了表观遗传调节和突触信号 作为ASD中两个最突出的途径,具有许多高信任遗传风险因素,并且失调 这些过程涉及的基因。该观察结果促使表观遗传失调引导的假设 为了不正确的神经元电路的发展和功能 表观遗传调节剂在ASD中反复突变,例如CHD8(染色体群酶DNA结合蛋白 8)。但是,确切的表观遗传变化,它们影响的细胞类型以及神经元电路的变化,导致 来自ASD的表观遗传失调尚不清楚。最近,单细胞基因组学方法,包括单细胞 细胞RNA测序和单细胞ATAC亮片,提供了前所未有的细胞和细胞细节水平 大脑的分子组成以及其发育的基础过程。在我的博士后,我申请了 单核RNA测序到人类后的人验尸皮质组织,从ASD患者进行深入了解 特定神经元和神经胶质亚型中与ASD相关的分子变化。最重要的之一 这项工作的洞察力是上层皮质神经元作为受ASD-影响最大的细胞类型的意义。 相关的转录变化。这种观察提出了有关起源和功能影响的问题 特定神经元电路的这种变化。作为我K99提案的目标1的一部分,我将检验假设 该基因表达在ASD中的变化是由特定细胞类型的表观遗传态的变化驱动的。为此 最后,我将对ASD患者的新皮层组织进行联合RNA-Seq和ATAC-Seq分析,并进行对照 确定细胞类型特异性的表观遗传变化。然后,我将开发并测试高通量突触跟踪 通过将条形码狂犬病病毒文库与单核RNA测序相结合(K99期的AIM 2)来通过技术。 最后,使用我提案的K99阶段的培训,工具和初步数据,我将启动一个 专注于研究细胞类型的特定表观遗传和神经元电路的独立研究项目 开发过程中CHD8+/小鼠模型的变化(R00相)。我将首先应用关节RNA-seq/atac- 在开发过程中研究特定细胞类型的表观遗传变化的SEQ方案是由于丧失之一而引起的 CHD8等位基因。通过将CHD8+/小鼠与报告在特定神经元中表达CRE重组酶的记者系 亚型,例如上层皮质神经元(CUX2-CRE),我将能够使用条形码的狂犬病病毒库 和单核RNA-seq,以识别由于CHD8的结果,皮质电路的特定组件的变化 单倍不足。我相信K99-R00奖将使我能够建立独特的研究方向和 将自己确立为自闭症和单细胞基因组学领域的成功独立研究者。

项目成果

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