Stanfordin tutkimus: aivot rakentuvat kahdesta varhaisesta solulinjasta

Aivojen eri osien ei välttämättä tarvitse ensin syntyä yhdestä yhteisestä hermostollisesta esisolupopulaatiosta ja erilaistua vasta myöhemmin. Stanford Medicine -tutkijoiden mukaan kehitys jakautuu jo hyvin varhain kahteen erilliseen ohjelmaan: Otx2-geeniä ilmentävä solulinja tuottaa etu- ja keskiaivot, kun taas Gbx2-geeniä ilmentävä solulinja on sitoutunut taka-aivojen kehitykseen. 1

Kyse on ennen kaikkea aivojen alkionkehityksestä, ei väitteestä, että aikuisella ihmisellä olisi kaksi toisistaan irrallista aivoa. Aikuisen aivojen alueet ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa. Tutkimus kuitenkin tarkentaa käsitystä siitä, miten nämä alueet saavat alkunsa – ja miksi aivorungon kaltaisten alueiden solutyyppejä on ollut vaikea valmistaa laboratoriossa.

Kaksi solupopulaatiota jo gastrulaation aikana

Tutkijat tarkastelivat hiiren alkioita gastrulaation aikana. Se on varhainen kehitysvaihe, jolloin alkion perusrakenne ja tulevien kudosten kehityssuunnat alkavat hahmottua.

He löysivät hermostoalkiosta kaksi erillistä populaatiota:

• Otx2-positiiviset etuosan solut, joiden jälkeläisistä kehittyvät etu- ja keskiaivot
• Gbx2-positiiviset takaosan solut, joista kehittyvät taka-aivot.

Stanfordin mukaan populaatiot eivät limittäneet toisiaan missään tutkimuksen varhaisimmista tarkastelluista vaiheista. 1 Tulos tukee mallia, jossa etu-/keskiaivojen ja taka-aivojen kehitysohjelmat käynnistyvät rinnakkain, eivätkä synny yhden alkuperäisen hermoston esisoluryhmän vähittäisestä alueellisesta jakautumisesta.

Kromatiini viittasi pysyviin kehityssuuntiin

Tutkimuksessa tarkasteltiin myös kromatiinia eli DNA:n pakkautumiseen ja käytettävyyteen liittyvää järjestelmää. Kromatiinin tila vaikuttaa siihen, mitkä geenit ovat solun käytettävissä ja millaiseksi solu voi erilaistua.

Etuosan ja takaosan hermostoalkion soluilla havaittiin erilaiset kromatiinitilat. Tutkijoiden tulkinnan mukaan kyse ei siis ole vain samanlaisten solujen myöhemmästä reagoinnista erilaisiin viesteihin: Otx2- ja Gbx2-linjoilla näyttää olevan alusta asti erilainen kehityksellinen sitoutuminen.

Aiemmasta tutkimuksesta tiedetään, että Otx2 ja Gbx2 merkitsevät vastakkaisia alueita tulevan keski- ja taka-aivojen rajalla. Otx2 on välttämätön etu- ja keskiaivojen kehitykselle, Gbx2 puolestaan taka-aivojen etuosan kehitykselle. 1 Uusi työ sijoittaa tämän eron vielä varhaisempaan vaiheeseen: jo erillisiin esisolupopulaatioihin.

Oikea kehitysreitti auttoi tuottamaan aivorungon hermosoluja

Löydöksellä on käytännön merkitystä kantasolututkimukselle. Jos taka-aivojen identiteetti rakentuu omalla Gbx2-yhteyteisellä kehitysreitillään, etuosan kaltaisesta hermoston esisolusta ei välttämättä saada aidosti taka-aivojen solua vain työntämällä sitä myöhemmin kohti takaista identiteettiä.

Tutkijat ohjasivat ihmisen pluripotentteja kantasoluja sen sijaan taka-aivojen kehitysohjelmaa muistuttavaa reittiä pitkin. Stanford Medicinen mukaan näin saatiin viljelmässä toimivia ihmisen taka-aivojen motorisia neuroneja. Solut synnyttivät aktiopotentiaaleja eli hermosoluille tyypillisiä sähköisiä impulsseja, ja niillä oli kasvojen sekä nielemisen säätelyyn liittyvien taka-aivoalueiden molekulaarisia piirteitä. 1

Tarkempi työkalu aivorungon sairauksien tutkimukseen

Taka-aivojen ja aivorungon motoriset neuronit ovat tärkeitä esimerkiksi silloin, kun sairaus häiritsee nielemistä tai hengitystä. Tällaisia vaikutuksia voi liittyä selkäydinlihassurkastumaan (SMA) ja amyotrofiseen lateraaliskleroosiin eli ALS:iin.

Löydös ei ole hoito eikä osoitus siitä, että laboratoriossa kasvatetut solut jäljittelisivät sairautta kokonaisuudessaan. Sen välitön merkitys on tutkimusmallissa: oikean alueellisen identiteetin ja toiminnallisuuden omaavia ihmisen taka-aivolinjan neuroneja voidaan käyttää aiempaa kohdennetummin sairausmekanismien tutkimiseen.

Kehitysmalli näyttää olevan hyvin vanha

Tutkijaryhmä raportoi vastaavan kaksijakoisen kehitysorganisaation myös kanan ja seeprakalan alkioissa sekä tammenterhomadoissa. Tammenterhomadot ovat selkäjänteisten kaukaisia sukulaisia deuterostomeissa, eläinryhmässä, johon myös selkärankaiset kuuluvat.

Näiden vertailujen perusteella tutkijat päättelevät, että aivojen etu- ja takaosan erillinen kehityksellinen alkuperä voi olla noin 550 miljoonaa vuotta vanha. 1 Tämä on evolutiivinen tulkinta yhteisestä kehitysmallista, ei väite siitä, että nykyisten lajien aivot olisivat samanlaiset. Säilyneeltä vaikuttaa kehityksen peruslogiikka: erilliset etu- ja takaosan hermosto-ohjelmat rakentavat yhdessä yhtenäisesti toimivan hermoston.

Mitä väite ”kahdesta elimestä” tarkoittaa?

Tutkimuksen kärjekäs ilmaisu kannattaa lukea täsmällisesti. Se ei tarkoita kahta erillistä, toisistaan riippumatonta aivoa. Sen sijaan näyttö koskee alkionkehitystä: etu- ja keskiaivot sekä taka-aivot näyttävät syntyvän erillisistä, päällekkäistymättömistä varhaisista esisolulinjoista. 1

Juuri tämä näkökulman muutos voi selittää, miksi aivorungon solutyyppien tuottaminen viljelmässä on ollut hankalaa – ja miksi alkion omaa kehitysreittiä seuraava menetelmä voi toimia paremmin.