Generation and characterisation of human and non-human primate cerebral organoids for the study of transposable elements

Abstract

During evolution the human brain has increased drastically in size compared to that of other primates. However, little is known about primate brain development as it is difficult to study human and primate brains in the laboratory due to the scarcity of tissues. Yet, it is essential to study primate brains and understand the molecular features leading to the human brain’s unique cognitive functions as they can, when dysregulated, lead to brain diseases. Recently, cerebral organoids, which are 3D miniature brains generated from pluripotent stem cells, have become popular in vitro models for primate brain development.

As humans share 98% of their protein-coding sequences with their closest living relative, the chimpanzee, the underlying changes that led to human brain expansion likely occurred in the non-coding part of the genome. Transposable elements (TEs) make up 50% of primate genomes and contribute to genomic variability over evolutionary time. Many TEs have evolved to act as enhancers or alternative promoters, becoming part of gene regulatory networks. TEs have been difficult to study using short-read sequencing techniques as they are repetitive elements with multiple copies in the genome leading to mappability issues. Recent long-read DNA sequencing methods can produce reads that span entire TE insertions making it easier to map TEs to the genome.

The aim of this study was to use induced pluripotent stem cells (iPSCs) from human and non-human primates to generate and characterise cerebral organoids for comparative analysis of TE expression and species-specific DNA methylation patterns. Cerebral organoids were successfully generated from two human, two chimpanzee, and two rhesus macaque cell lines. Using immunohistochemistry, RT-qPCR, and single-nuclei RNA sequencing, proper developmental trajectories, gene expression and cell composition were confirmed. Finally, high molecular weight DNA was extracted from iPSCs and prepared for Oxford Nanopore Technologies long-read DNA sequencing for future TE analysis.

Popular Abstract (Swedish)

Generering och karakterisering av hjärnorganoider från människa och primater för analys av hoppande gener

Människans hjärna har under evolutionen ökat i storlek och har blivit betydligt mycket större än hjärnan hos våra närmaste levande släktingar, schimpanserna. Trots denna drastiska skillnad så delar vi ca 98% av våra proteinkodande DNA sekvenser med schimpanserna. Detta indikerar att förändringar som har lett till den ökade storleken av människans hjärna har skett i den icke-kodande delen av vårt genom. Det har länge varit svårt att studera människans och primaters hjärnutveckling på grund av begränsad tillgång till mänsklig vävnad och etiska aspekter när det kommer till forskning på högt intelligenta djur som schimpanser. Nyligen så har hjärnorganoider utvecklats från pluripotenta stamceller som gör det möjligt att studera hjärnvävnader som inte var möjligt att få tag på tidigare. Hjärnorganoider är 3D miniatyrorgan som liknar riktig hjärnvävnad och påvisar vissa karaktäristiska egenskaper av tidig hjärnutveckling. Dessa hjärnorganoider går att framställa från mänskliga celler, men även från celler från andra primater, så som schimpanser och makaker. Detta gör det möjligt att studera processer som underligger mänsklig hjärnutveckling och jämföra med hur liknande processer ser ut i andra primater. Vilka specifika genetiska förändringar som har lett till den ökade storleken på människans hjärna är idag okänt, men för att förändringar ska ske så måste nya regulatoriska processer uppstå. Transposoner, eller ”hoppande gener”, är mobila genetiska element som kan förflytta sig i genomet. När det förflyttar sig så kan de även flytta andra genetiska element vilket kan bidra till att nya genregleringsprocesser uppstår.

I den här studien ville vi framställa och karaktärisera hjärnorganoider från människa, schimpans och rhesusmakak för att studera rollen av transposoner i utvecklingen av människans hjärna. Således användes inducerade pluripotenta stamceller från människa, schimpans och rhesusmakak för att framställa hjärnorganoider från de tre olika arterna. Dessa hjärnorganoider analyserades sedan med diverse molekylärbiologiska metoder för att karaktärisera deras utvecklingsförlopp, genuttryck och cellkomposition. Sammanfattningsvis, framställdes hjärnorganoider från två cellinjer per art och dessa kommer att användas i framtida studier för att studera hur transposoner har påverkat utvecklingen av människans hjärna.


Masterexamensprojekt i Molekylärbiologi 60 hp, 2022–2023
Biologiska institutionen, Lunds universitet

Handledare: Johan Jakobsson & Patricia Gerdes
Molekylär neurogenetik, Institutionen för experimentell medicinsk vetenskap, Lunds universitet

• author: West, Wiktor
• supervisor: Johan Jakobsson; Patricia Gerdes
• organization: Degree Projects in Molecular Biology
• course: MOBN03 20222
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences
• language: English
• id: 9140653
• date added to LUP: 2023-10-31 10:52:49
• date last changed: 2023-10-31 10:52:50