В исследовании, опубликованном в журнале Cell Stem Cell — в исследовании, озаглавленном «Индукция экспансии и сворачивания в органоидах головного мозга человека», исследователи из Института Уайтхеда дают представление о конкретном пути гена, который, по-видимому, регулирует рост, структуру и организацию кора головного мозга человека. Они также демонстрируют, что трехмерные церебральные органоиды человека — миниатюрные, выращенные в лаборатории версии определенных структур мозга — могут быть эффективными при моделировании молекулярных, клеточных и анатомических процессов развития человеческого мозга. И они предлагают новый путь выявления клеток, пораженных вирусом Зика.
«Мы обнаружили, что повышенная пролиферация нервных клеток-предшественников (НК) вызывает расширение корковой ткани и кортикальную складку в органоидах головного мозга человека», — говорит Юн Ли, ведущий автор исследования и научный сотрудник Института Уайтхеда. «Кроме того, мы определили, что удаление гена PTEN позволяет увеличить передачу сигналов фактора роста в клетке, раскрывая ее потенциал роста и стимулируя пролиферацию».Эти находки подтверждают мнение о том, что увеличение пролиферативного потенциала NPs способствует расширению неокортекса головного мозга человека и возникновению складчатости поверхности.С нормальными НЧ органоид человека превратился в относительно небольшие кластеры клеток с гладкой поверхностью, демонстрируя некоторые черты очень раннего развития коры головного мозга человека.
Однако удаление PTEN позволило популяции предшественников продолжать расширяться и отсрочило их дифференцировку в определенные виды нейронов — это обе ключевые особенности развивающейся коры головного мозга человека. «Поскольку NP-мутанты PTEN испытали больше раундов деления и сохранили свое предшественников в течение длительного периода, органоиды стали значительно больше и существенно сморщили кортикальную ткань», — объясняет Жюльен Муффат, также ведущий автор и постдокторский исследователь в Институте Уайтхеда. .Напротив, они обнаружили, что хотя делеция PTEN в клетках мыши действительно создает органоид несколько большего размера, чем нормальный, она не приводит к значительной экспансии NP или к складчатости. «Предыдущие исследования показали, что аномальные вариации в экспрессии PTEN могут играть важную роль в развитии состояний мозга, ведущих к таким синдромам, как расстройства аутистического спектра», — говорит Рудольф Джениш, член-основатель Института Уайтхеда и старший автор исследования. «Наши результаты показывают, что путь PTEN также является важным механизмом для контроля различий в структуре мозга, наблюдаемых между видами».Исследователи Уайтхеда решили сосредоточиться на гене PTEN, потому что ранее было показано, что он выполняет некоторую функцию в развитии коры и играет роль в регуляции клеток-предшественников различных клонов.
Примечательно, что мутации потери функции PTEN связаны с макроцефалией человека.В этом исследовании делеция гена PTEN увеличивала активацию пути PI3K-AKT и, таким образом, усиливала активность AKT в человеческих NP, содержащих 3D церебральные органоиды человека; он способствует повторному входу в клеточный цикл и временно задерживает дифференцировку нейронов, что приводит к заметному увеличению радиальной глии и популяции промежуточных предшественников. Подтвердив молекулярный механизм работы с PTEN, исследователи использовали фармакологические ингибиторы AKT, чтобы обратить вспять эффект делеции PTEN. Они также обнаружили, что они могут регулировать степень экспансии и сворачивания путем настройки силы передачи сигналов AKT — с уменьшением передачи сигналов, приводящим к более мелким и гладким органоидам, и усилением передачи сигналов, производящим более крупные и более свернутые органоиды.
Наконец, исследователи использовали трехмерную систему органоидов головного мозга человека, чтобы показать, что заражение вирусом Зика нарушает рост и складку коры головного мозга. В органоидах инфекция Зика в начале поверхностной складчатости (19 день развития) привела к широко распространенному апоптозу; и, десять дней спустя, это серьезно затруднило рост органоидов и складывание поверхности. Зика-инфекция органоидов 4-недельного возраста показала, что органоиды мутантного PTEN были намного более восприимчивы к инфекции, чем нормальные контрольные органоиды; в частности, они показали усиление апоптоза и снижение пролиферации клеток-предшественников.
«Хотя это и не является первоначальной целью нашего исследования, мы продемонстрировали, что трехмерные органоиды коры головного мозга человека могут быть очень эффективными для моделирования вируса Зика, что позволяет исследователям лучше наблюдать, как ткань человеческого мозга реагирует на инфекцию, и проверять возможные методы лечения», — говорит Ли.