Stanfordští vědci vystopovali vznik mozku ke dvěma raným vývojovým liniím

Výzkumníci ze Stanford Medicine dospěli k závěru, že přední a zadní část mozku nevznikají postupným rozdělováním jedné rané populace nervových buněk. Už v časném embryonálním vývoji se naopak objevují dva samostatné, nepřekrývající se progenitorové programy: linie exprimující Otx2, z níž vzniká přední a střední mozek, a linie exprimující Gbx2, která je určena pro zadní mozek. 1

Nejde jen o nové pojmenování oblastí mozku. Zjištění mění pohled na to, jak se jeho části zakládají — a může vysvětlovat, proč bylo tak obtížné získat v laboratoři věrohodné buněčné modely mozkového kmene.

Dvě populace buněk už při gastrulaci

Vědci zkoumali myší embrya v období gastrulace, tedy ve velmi rané fázi, kdy se začíná organizovat základní stavba těla. Rozpoznali přední populaci neuroektodermu — embryonální tkáně, z níž vzniká nervový systém — označenou genem Otx2. Její potomci mají vytvořit přední a střední mozek.

Druhá, zadní populace nesla znak Gbx2 a byla předurčena k vytvoření zadního mozku. Stanford Medicine uvádí, že se tyto dvě populace v nejranějších sledovaných stadiích nikdy nepřekrývaly. 1

Dosavadní otázka vývojové biologie zněla, zda se z jednoho společného nervového prekurzoru postupně stává buňka s přední nebo zadní identitou. Nová práce naopak podporuje model paralelního vývoje: program pro přední a střední mozek a program pro zadní mozek jsou od počátku odlišné.

Rozdíly ukázal i chromatin

Autoři nezkoumali jen to, které geny buňky právě exprimují. Zaměřili se také na chromatin, tedy způsob, jakým je DNA v buňce uspořádána a zpřístupněna. Právě chromatin ovlivňuje, které geny může buňka využívat.

Přední a zadní neuroektoderm vykazovaly odlišné chromatínové stavy. Podle interpretace výzkumníků to posiluje argument, že nejde o snadno zaměnitelné buňky, které až později reagují na jiné signály. Spíše jsou od raného stadia nasměrovány k rozdílným vývojovým osudům.

Dřívější práce již ukázaly, že Otx2 a Gbx2 vymezují protilehlá území v okolí budoucího rozhraní mezi středním a zadním mozkem: Otx2 je nutný pro vývoj předního a středního mozku, zatímco Gbx2 pro přední část zadního mozku. Nový výzkum tento rámec posouvá do ještě ranější fáze embryonálního vývoje. 1

Proč to změnilo postup se kmenovými buňkami

Praktický dopad se projevil při snaze vytvořit z lidských pluripotentních kmenových buněk motorické neurony zadního mozku.

Pokud zadní mozek vzniká vlastní vývojovou cestou spojenou s Gbx2, pak postupy, které nejprve vytvoří nervový prekurzor s přední identitou a následně jej zkoušejí „posunout dozadu“, mohou narážet na zásadní biologické omezení. Tým proto vedl lidské kmenové buňky přímo zadním vývojovým programem.

Podle Stanford Medicine tak vznikly v kultuře funkční lidské motorické neurony zadního mozku. Buňky vytvářely akční potenciály — elektrické impulzy neuronů — a nesly molekulární znaky oblastí zadního mozku, které se podílejí na řízení mimiky a polykání. 1

Přesnější model pro výzkum nemocí mozkového kmene

Motorické neurony zadního mozku jsou důležité pro studium stavů, při nichž porucha mozkového kmene může ovlivnit polykání či dýchání. Patří sem mimo jiné spinální muskulární atrofie a amyotrofická laterální skleróza (ALS).

To samo o sobě nepředstavuje léčbu ani důkaz, že laboratorně vytvořené neurony zachycují všechny aspekty těchto nemocí. Bezprostřední přínos spočívá v lepším výzkumném modelu: vědci mohou zkoumat lidské neurony zadního mozku, které mají vhodnější oblastní identitu i funkční vlastnosti.

Princip, který může být starší než obratlovci

Autoři popsali srovnatelné uspořádání dvou vývojových původů také u embryí kuřat a zebřiček i u žaludovců, vzdálených druhoústých příbuzných obratlovců. Z těchto srovnání vyvozují, že rozdělení na přední a zadní nervový program je evolučně velmi staré — řádově asi 550 milionů let. 1

Jde o závěr odvozený ze sdílené vývojové organizace u těchto živočichů, nikoli o tvrzení, že jejich dnešní mozky jsou stejné. Zachovaný se podle všeho jeví základní vývojový princip: samostatné přední a zadní nervové programy společně budují integrovaný nervový systém.

Co neznamená označení „dva orgány“

Výraz „dva samostatné orgány“ je záměrně provokativní, je ale potřeba jej chápat přesně. Neznamená, že dospělý člověk má dva anatomicky odpojené mozky ani že přední a zadní mozek fungují nezávisle. Jejich oblasti jsou propojené a vzájemně závislé.

Podložené tvrzení je užší: přední a střední mozek a zadní mozek podle studie vyrůstají z odlišných, nepřekrývajících se raných progenitorových linií. Tento pohled zároveň pomáhá objasnit, proč se některé buněčné typy mozkového kmene v kultuře vytvářely tak obtížně — a proč záleží na následování správné embryonální cesty. 1