Развитие мозга похоже на тщательно поставленный танец: нейроны развивают определенные функции и перемещаются по небольшому участку мозга, чтобы достичь нужного места, которое посредством возникающих химических сигналов дает животному возможность думать, чувствовать и выживать.
Однако при нейроразрушениях (NDD) сотни мутаций в ДНК могут прерывать этот процесс, но ученые до сих пор не знают, как эти мутации прерывают точную схему нейронной дифференциации или миграции. С точки зрения экспериментального дизайна слишком рискованно изучать эти дефекты непосредственно на эмбрионах или новорожденных, а использование других животных моделей может привести к менее точным результатам.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, нейробиолог из Стэнфорда Серджиу Пашка и его команда объединили методы сборки с редактированием генов CRISPR, чтобы определить роль генов заболеваний нервной системы в типичном развитии мозга и нарушения, возникающие при их отсутствии1.
«Мы наконец получили длинный список генов, вызывающих аутизм, — говорит Пашка, — и вопрос в том, как мы понимаем их функцию, особенно в контексте очень сложного развития человеческого мозга».
За последнее десятилетие ученые смогли преобразовать стволовые клетки в мозговые органоиды, трехмерные кластеры клеток, которые могут выращивать типы клеток и структуры, подобные клеткам человеческого мозга.2 Шесть лет назад команда Пашки сделала еще один шаг вперед в этой технике, объединив два органоида, каждый из которых представляет собой отдельную область мозга.3 Эта новая модель, известная как «сборка», позволила ученым разработать новую модель человеческого мозга. Эта новая модель, называемая «сборкой», позволяет ученым искусственно моделировать взаимодействия, происходящие в мозге.
Новое исследование фокусируется на интернейронах, которые переносят ключевые перцептивные и двигательные сигналы в мозге. В процессе развития эти нейроны мигрируют из одного места в переднем мозге в другое и регулируют чрезмерную активацию других нейронов, процесс, который, по мнению некоторых, нарушается при нарушениях нейроразвития4.
Команда Пашки создала более 1,000 органоидов, которые имитируют миграцию интернейронов переднего мозга, начинающуюся в подкорке и заканчивающуюся в коре. В каждом подкорковом органоиде они использовали редактирование генов CRISPR, чтобы устранить один из 425 генов расстройства нейроразвития, проверенных исследователями. Затем они объединили подкорковые органоиды с отредактированными генами с корковыми органоидами и сгенерировали сборки. Пометив интернейроны молекулами, которые излучают зеленый свет, исследователи смогли отследить генерацию интернейрона и его миграцию между корой головного мозга и корой.
Интернейроны (зеленые) мигрируют по всему скоплению таким же образом, как они мигрируют в кору головного мозга во время развития мозга (источник изображения: Лаборатория Серджиу Пашки)
Исследователи обнаружили, что 11% генов нарушений нейроразвития играют важную роль в функционировании интернейронов. При отсутствии определенных генов интернейроны вообще не могут формироваться. Устранение других генов предотвращает перемещение интернейронов из подкорковых органов в соседние корковые органы. Углубленное исследование гена LNPK показало, что он нарушает движение вставочных нейронов через субклеточные структуры, тем самым не давая клеткам перемещаться по мозгу.
Пашка сказал: «Теперь мы смогли получить доступ к сотням генов и рассмотреть их роль в развитии человеческого мозга комплексно, чего раньше было невозможно». Он считает, что этот подход может помочь идентифицировать новые гены, вызывающие заболевания. «Как только мы идентифицируем все гены, которые мешают миграции интернейронов, мы сможем найти гены, вызывающие заболевания, о которых мы не знали раньше, потому что пациенты очень редки».
Генетик из Йельского университета Кристен Бреннанд, которая не принимала участия в исследовании, сказала, что исследование обеспечивает более физиологически релевантный контекст человеческого мозга, чем предыдущие исследования с использованием нейронных клеток-предшественников. Однако она подчеркнула важность повторения исследования с использованием большего количества образцов. Три разных человека могут унаследовать один и тот же ген риска, но у одного из них аутизм, у другого шизофрения, а у третьего он не затронут», — отметила она. Редкие гены NDD не работают изолированно.
Паска признает, что миграция интернейронов может привести лишь к части случаев расстройства нейроразвития, но он считает, что изучение этих ключевых процессов заболевания обещает привести к появлению потенциальных новых лекарств для лечения или исправления дефектов. Его команда уже начала анализировать, как эти гены влияют на функцию интернейронов.
«Моя лаборатория известна разработкой инструментов, но это никогда не было нашей целью», — говорит Пашка. «Моя цель — понять биологию, лежащую в основе серьезных психических заболеваний».
