Исследователи UCLA разработали первую карту регуляции генов в нейрогенезе человека – процессе, посредством которого нейронные стволовые клетки превращаются в нейроны. Учёные определили факторы, которые влияют на рост мозга, и в некоторых случаях создают основу для некоторых нарушений его функций, которые могут проявиться позже по ходу жизни. Об этом всём они рассказали в журнале Cell.
На изображении показаны схемы срезов мозга мыши, макаки и человека для сравнения масштаба. Credit: Luis de la Torre-Ubieta / UCLA Health.
Человеческий мозг отличается от мозга мышей и обезьян большей площадью коры (серого вещества). Эта самая высокоразвитая и молодая часть органа отвечает за мышление, восприятие и сложные коммуникации между разными структурами органа. Учёные сейчас только начинают понимать молекулярные и клеточные механизмы, которые стимулируют рост человеческого мозга, а также роль, которую они играют в человеческом познании.
Развитие мозга управляется экспрессией генов в определённых его областях или типах клеток, а также в определённые временные рамки. Экспрессия генов – это тот процесс, с помощью которого инструкции, записанные в ДНК, превращаются в функциональный продукт – белок. Она регулируется на многих уровнях различными сегментами ДНК, действующими как переключатели включения-выключения в нужные моменты моменты. Но до сих пор не было такой «карты», которая бы смогла описать активность и расположение этих переключателей на хромосоме во время нейрогенеза.
Используя метод молекулярной биологии, называющийся ATAC-seq, исследователи Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) отобразили области генома, которые запускаются во время нейрогенеза. Они объединили эти данные с информацией об экспрессии генов этих областей мозга, а также с полученной ранее информацией о хромосомной «складчатости», которая влияет на кодирование генетической информации. Комбинированные данные помогли им определить регуляторные элементы для ключевых генов при нейрогенезе. Например, если один из них – ген EOMES/Tbr2 – выключается, то это связано с серьёзными пороками развития головного мозга.
Научная команда подтвердила роли целевых генов с использованием технологии CRISPR – метода, с помощью которого фрагменты ДНК в клетках можно удалить, чтобы «отредактировать» подмножество регуляторных переключателей, а затем оценить их влияние на экспрессию генов и нейрогенез.
Нейробиологи обнаружили, что корни некоторых психиатрических расстройств, которые развиваются позже в жизни, например, шизофрении, депрессии или СДВГ, «растут» из нарушений на самых ранних стадиях развития мозга у плода. Исследователи отмечают, что запускаются во время нейрогенеза даже будущие интеллектуальные возможности человека.
Помимо этого учёные расшифровали последовательность нуклеотидов, которая изменяет экспрессию рецептора фактора роста фибробластов, регулирующего важные биологические процессы, включая клеточное деление, и «назначающего» клеткам конкретные задачи. Эта последовательность более активна у людей, чем у других животных, что помогает объяснить, почему человеческий мозг больше.
Текст: Анна Хоружая
The Dynamic Landscape of Open Chromatin during Human Cortical Neurogenesis by Luis de la Torre-Ubieta, Jason L. Stein, Hyejung Won, Carli K. Opland, Dan Liang, Daning Lu, and Daniel H. Geschwind in Cell. Published online January 2018
doi:10.1016/j.cell.2017.12.014