„Мутантните порове“ осветяват развитието на човешкия мозък
Докато изследваха развитието на човешкия мозък, използвайки модел на мутантния пор, учените случайно попаднаха на улики за еволюцията на нашите големи мозъци.
Хората са благословени с относително големи мозъци. И през последните 7 милиона години - кратък период от време в еволюционен план - размерът на мозъка ни се е утроил.
Кората на главния мозък, извитият и сгънат външен слой, е особено важен при хората. Точно защо и как мозъкът ни стана толкова проклет е въпрос на много дебати и доказателствата в момента са оскъдни.
Намирането на улики за генетични и биологични промени, настъпили преди милиони години, е подобно на търсенето на игла в купа сено от другата страна на Вселената. От време на време обаче лейди Серендипити се усмихва на учените.
Наскоро изследователи от редица институции, включително Медицинския институт на Хауърд Хюз в Чеви Чейс, MD, Университета Йейл в Ню Хейвън, Тексас, и Бостънската детска болница в Масачузетс, проведоха поредица от изследвания, разглеждащи микроцефалията.
Техните проучвания бяха ползотворни и разшириха нашето разбиране за микроцефалията, но също така ни привлякоха по-близо до онази игла в далечната купа сено. Констатациите им бяха публикувани наскоро в списанието Природата.
„Обучен съм за невролог и уча деца с мозъчни заболявания в развитието“, обяснява д-р Кристофър Уолш от детската болница в Бостън. „Никога не съм мислил, че ще надникна в еволюционната история на човечеството.“
Как да изследваме микроцефалията
Бебетата с микроцефалия имат много по-малка глава от нормалната и мозъчната им кора не се формира правилно. Това състояние често е генетично, въпреки че напоследък е свързано и с вируса Zika.
Как и защо кората не се образува правилно, не е напълно изяснено. Една от причините, поради които изследването на тази тема е толкова сложно, е липсата на добър модел; най-често се използва модел на мишка, но той не е подходящ за целта.
Мозъкът на мишката е, както може да се очаква, малък. Също така, мишките не се радват на същия разнообразен избор на мозъчни клетки като хората и тяхната кора е много по-гладка.
Най-често участващият в микроцефалията ген е този, който кодира протеин, известен като Aspm. Когато този ген мутира, мозъкът на човека ще бъде около половината от нормалния размер.
Въпреки това, при мишки без гена - наречени Aspm нокаут мишки - мозъкът им се свива само с една десета. Тази едва забележима промяна е малко полезна за учените.
В търсенето на по-добър модел на микроцефалия изследователите, водени от д-р Уолш и Бюнг-Ил Бае от Йейлския университет, се обърнаха към порове.
Отначало това може да изглежда странен избор на животно, но има добър смисъл; поровете са по-големи и имат сложна кора със същия диапазон от клетъчни типове като хората. Също така, подобно на мишките, те се размножават бързо и свободно.
Както обяснява д-р Уолш, „На пръв поглед поровете може да изглеждат смешен избор, но те са важен модел за развитие на мозъка в продължение на 30 години.“
Въпреки че поровете се оказаха полезни по-рано, малко се знае за генетиката на поровете, така че създаването на нокаут версия на Aspm на животното би било предизвикателство. Д-р Уолш обаче не беше смутен; той си осигури финансиране и се зае с работата.
Нокаутният пор на Aspm е едва вторият нокаут пор, който човечеството някога е създавало.
Както се очакваше, мозъците на нокаутираните порове на Aspm бяха с до 40 процента по-малки от нормалното, което го приближаваше много по-близо до човешката версия на микроцефалията. И както при човешката микроцефалия, дебелината на кората е непроменена.
Подсказка за еволюцията на мозъка
Освен проектирането на нов и полезен модел за човешка микроцефалия, учените също потопиха пръстите на краката си в много по-неразрешим проблем: как развихме толкова големи мозъци?
Те проучиха как загубата на Apsm е повлияла на мозъка на поровете по начина, по който го е направила. Дефектите бяха проследени обратно до промени в начина, по който се държаха радиалните глиални клетки.
Радиалните глиални клетки се развиват от невроепителни клетки, които са стволовите клетки на нервната система. Те могат да се развият в редица различни клетъчни типове в кората.
Започвайки близо до развиващите се мозъчни вентрикули, радиалните глиални клетки се придвижват към образуващата се кора. Тъй като тези клетки се отдалечават по-далеч от началната си точка, те бавно губят способността си да се развиват в различни видове мозъчни клетки.
Екипът установи, че липсата на Apsm кара радиалните глиални клетки да се отделят по-лесно от вентрикулите и започват миграцията си рано.
След като времето беше изключено, съотношението на радиалните глиални клетки към други клетъчни типове се изкриви, което доведе до по-малко нервни клетки в кората. Apsm действа като регулатор, набирайки нагоре или надолу общия брой кортикални неврони. И тук се крие следата за еволюцията на човешкия мозък.
„Природата трябваше да реши проблема с промяната на размера на човешкия мозък, без да се налага да преструктурира цялото нещо.“
Byoung-Il Bae
Apsm променя развитието на мозъка по този начин, като влияе върху функцията на центриолите или клетъчните структури, участващи в клетъчното делене. Без Apsm центриолите не си вършат работата както трябва.
Напоследък няколко гена, участващи в регулирането на протеините на центриолите, включително Apsm, са претърпели еволюционни промени. Д-р Уолш вярва, че може би тези гени ни отличават от шимпанзетата или нашите далечни братовчеди неандерталците.
„Има смисъл в ретроспекция“, казва д-р Уолш. „Гените, които събраха мозъка ни по време на развитието, трябва да са гените, които еволюцията е променила, за да направи мозъка ни по-голям.“
Чрез промяна на този единствен ген, миграцията на радиални глиални клетки може да бъде променена и кората може да нарасне по-голяма. Тези изследвания предоставят нов модел за микроцефалия и нова представа за произхода на изпъкналия ни мозък.
