Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско сделали первый шаг к всеобъемлющему атласу экспрессии генов в клетках развивающегося человеческого мозга, сделав доступным новое понимание того, как конкретные клетки и генные сети способствуют созданию этого сложнейшего комплекса органов, и служили ресурс для исследователей со всего мира для изучения взаимодействия между этими генетическими программами и нарушениями развития нервной системы, такими как аутизм, умственная отсталость и шизофрения.Работой, описанной в новой статье, опубликованной 8 декабря 2017 г. в журнале Science, руководили три молодых исследователя UCSF: Томаш Новаковски, доктор философии, доцент анатомии; Алекс Поллен, доктор наук, доцент кафедры неврологии; и Апарна Бхадури, доктор философии, когда все трое были исследователями после получения докторской степени в лаборатории UCSF под руководством Арнольда Кригштейна, доктора медицины, доктора философии, старшего автора новой статьи.
«Когда вы пытаетесь изучить человеческое заболевание, критически важно иметь возможность взглянуть на вопросы развития мозга в реальных тканях человека. Многие идеи, которые мы можем получить с помощью этих данных, нельзя увидеть на мышах, — сказал Кригштейн, профессор неврологии и директор Центра регенеративной медицины и исследования стволовых клеток им.
Эли и Эдит Брод при UCSF.Ранее Пыльца и Новаковски разработали методы анализа характерных паттернов активности ДНК в отдельных клетках, извлеченных из ткани человеческого мозга. Этот подход позволил провести широкий спектр исследований развития человеческого мозга, включая вовлечение нового класса нервных стволовых клеток, недавно открытого лабораторией, в эволюционное расширение человеческого мозга и определение того, как переносимый комарами вирус Зика может способствовать микроцефалии у младенцев. инфицированы внутриутробно.Работая с Бхадури, имеющим опыт работы в статистике и биоинформатике, Пыльца и Новаковски начали изучать, как определенные классы нейронов и стволовых клеток в развивающемся мозге способствуют нормальному росту мозга, а также к заболеваниям нервной системы, и начали создавать комплексную открытый атлас экспрессии генов в развивающемся мозге, который, как они надеются, послужит источником информации для других ученых.
«Это попытка сформировать объективное представление о том, какие гены экспрессируются в каждом типе клеток в развивающемся мозге человека, чтобы выявить потенциальные клеточные уязвимости в мутациях, относящихся к пациенту», — сказал Новаковски.«Идентификация вариантов генов, которые являются общими факторами риска неврологических и психических заболеваний, очень важна, но понимание того, какие именно типы клеток в развивающемся мозге подвергаются риску и каковы последствия, по-прежнему чрезвычайно сложно», — добавила Пыльца. «Атлас ячеек может служить мостом, который поможет нам сделать это с большей уверенностью».В своей новой научной статье исследователи проанализировали экспрессию генов в отдельных клетках в ключевые моменты времени развития и в разных областях мозга.
Затем Бхадури использовал статистические алгоритмы для кластеризации различных клеток на основе их паттернов экспрессии генов.Этот анализ позволил команде проследить генетические сигналы, управляющие развитием мозга, на гораздо более тонком уровне, как региональном, так и во времени, чем это было возможно ранее. Например, исследователи смогли идентифицировать ранее неизвестные различия в экспрессии генов между нервными стволовыми клетками, которые дают начало глубоким структурам мозга по сравнению с его неокортикальной поверхностью, и показать, что молекулярные сигнатуры разных типов нервных клеток возникают намного раньше в развитии мозга, чем реализовано ранее.
«Я был рад войти в этот проект с невероятно богатым набором данных для анализа», — сказал Бхадури. «Анализируя этот набор данных по-новому, мы смогли обнаружить ранние молекулярные различия в разных областях и с течением времени, которые начинают определять удивительное разнообразие нейронов в коре головного мозга».Одно из самых захватывающих новых наблюдений команды предполагает связь между аутизмом и типом нервных стволовых клеток, называемым внешне-лучевой глией (oRG), обнаруженным лабораторией Кригштейна в 2010 году. Популяции этих стволовых клеток значительно увеличились у приматов и могут быть ответственными за них. за радикальное расширение коры головного мозга, которое дало начало человеческому разуму.
В новом исследовании ученые обнаружили, что во втором триместре развития человеческого мозга клетки oRG экспрессируют гены, связанные с фундаментальным сигнальным путем, называемым mTOR, дефекты которого ранее были связаны с аутизмом и некоторыми другими психическими расстройствами. Это открытие предполагает, что будущие исследования должны также учитывать роль mTOR-экспрессирующих oRG клеток, которые могут играть в происхождении этих нарушений.Еще одно провокационное наблюдение из нового исследования заключалось в том, что временные события экспрессии генов во время развития мозга устанавливают широкие различия в нервной судьбе между клетками в разных областях коры головного мозга. Это контрастирует с идеей, которая доминировала в нейробиологии в течение многих лет: неокортекс состоит из почти идентичных «корковых столбов» — стандартной цепи различных типов клеток, которые соединяются через шесть слоев коры, которые покрывают корковый слой. поверхность как шестиугольники в сотах.
В этой модели типы клеток и их локальные связи обычно везде одинаковы — только входы и выходы столбца меняются от места к месту в коре головного мозга. Напротив, новые данные предполагают, что нейроны в разных частях мозга во время развития выражают принципиально разные генетические программы, в то время как соседние нейроны в разных слоях коры удивительно похожи по экспрессии генов.Авторы говорят, что новая статья — это первый шаг в более масштабных усилиях по созданию исчерпывающего атласа генетически определенных типов клеток человеческого мозга. Команда Кригштейна недавно получила 5-летний грант в размере 5 миллионов долларов от Инициативы BRAIN Национальных институтов здравоохранения (NIH) для расширения этих усилий и сделать полученные данные общедоступными для всех в поле через интерактивный браузер данных, созданный в сотрудничестве с коллегами. в Калифорнийском университете Санта-Крус.
«Это исследование было сосредоточено на развитии неокортекса, но мы стремимся проанализировать несколько областей мозга и стадии развития, чтобы получить более полный атлас типов клеток в развивающемся мозге человека», — сказал Кригштейн. «Это все еще принципиально открытый вопрос, сколько типов клеток существует в мозге, который явно имеет большее клеточное разнообразие, чем любой другой орган».«Мы надеемся, что этот атлас станет дорожной картой для исследования взаимосвязи между конкретными типами клеток, сигнальными путями, рецепторами и физиологической функцией мозговых цепей», — добавил Кригштейн. «Например, во всем мире существует огромный интерес и ажиотаж к выращиванию церебральных органоидов» — миниатюрных мозговидных органов, которые можно изучать в лабораторных экспериментах — «от стволовых клеток до моделирования механизмов развития человеческого мозга и болезней. Наш мозг атлас развития послужит столь необходимой структурой для калибровки этих органоидов по отношению к реальному человеческому мозгу ".