Mózg może powstawać z dwóch odrębnych linii komórkowych

Przez lata dominował obraz rozwoju, w którym jedna wczesna populacja komórek nerwowych stopniowo różnicuje się, tworząc kolejne główne obszary mózgu. Badanie prowadzone przez Stanford Medicine, opublikowane w czasopiśmie Nature Neuroscience, proponuje inną interpretację: przód i tył mózgu mogą od początku powstawać z odrębnych, już ukierunkowanych populacji komórek progenitorowych. 1

Dwie równoległe drogi rozwoju

Naukowcy opisują dwie populacje wczesnego ektodermalnego materiału nerwowego, które pojawiają się równolegle:

• komórki wykazujące ekspresję genu Otx2 tworzą przedni obszar tkanki nerwowej, z którego rozwijają się przodomózgowie i śródmózgowie;
• komórki wykazujące ekspresję genu Gbx2 tworzą tylny obszar, z którego rozwija się tyłomózgowie. 1

Kluczowe nie jest wyłącznie to, że geny te oznaczają różne regiony mózgu. Autorzy badania interpretują wyniki jako dowód, że są to dwa różne punkty startowe rozwoju, a nie przejściowe etapy jednej uniwersalnej ścieżki prowadzącej do powstania całej tkanki mózgowej. 1

W nowym świetle stawia to dobrze znaną biologom rozwojowym granicę między obszarami ekspresji Otx2 i Gbx2, związaną z pograniczem śródmózgowia i tyłomózgowia. Badanie sugeruje, że podział ten odzwierciedla znacznie wcześniejsze i głębsze rozdzielenie tożsamości komórkowej.

Dlaczego Otx2 i Gbx2 są ważne

W badanych wczesnych programach rozwojowych komórki Otx2-dodatnie i Gbx2-dodatnie wzajemnie się wykluczają. Każda z populacji podąża inną drogą regulacji genów:

• program Otx2 wspiera tożsamość przednią i rozwój struktur przodomózgowia oraz śródmózgowia;
• program Gbx2 wspiera tożsamość tylną i rozwój tyłomózgowia. 1

Zespół wykazał także odmienne stany chromatyny w obu populacjach. Chromatyna wpływa na dostępność fragmentów DNA dla komórkowej „maszynerii” odczytującej geny. Różne jej konfiguracje mogą więc ułatwiać uruchomienie jednego programu rozwojowego, a utrudniać innego. Autorzy uznają te różnice za przesłankę, że komórki stosunkowo wcześnie zostają ukierunkowane na swoje regionalne losy. 1

Hipoteza ewolucyjna — ale bez dosłownego „dwóch mózgów”

Podobny wzorzec rozwoju badacze zaobserwowali u myszy, kurcząt, danio pręgowanych, makaków i żołędziowców. Na tej podstawie zaproponowali, że mózg kręgowców może łączyć dwa bardzo stare systemy nerwowe, które zostały zespolone w toku ewolucji. 1

To interpretacja ewolucyjna oparta na danych rozwojowych i porównawczych. Nie oznacza ona, że dorosły mózg jest anatomicznie podzielony na dwa niezależnie działające narządy. Wniosek jest węższy: przednie i tylne regiony mózgu mogły zachować zasadniczo odmienne historie rozwojowe.

Dlaczego trudno było hodować neurony tyłomózgowia

Model dwóch linii może wyjaśniać praktyczny problem badań nad komórkami macierzystymi. Jeśli w laboratorium komórki progenitorowe weszły już na szlak Otx2, związany z przodomózgowiem i śródmózgowiem, późniejsza próba przekształcenia ich w komórki tyłomózgowia może być sprzeczna z utrwalonym stanem regulacyjnym tych komórek.

Nowe badanie odtwarza właściwą, wczesną ścieżkę związaną z Gbx2. Stanford Medicine podaje, że umożliwiło to uzyskanie w hodowli ludzkich neuronów tyłomózgowia, co daje narzędzie do badania funkcji komórek z tylnej części mózgu. 1

Komórki poprawnie określone pod względem rozwojowym powinny być bardziej wiarygodnym modelem niż takie, które jedynie powierzchownie przypominają pożądany typ. Odtworzenie właściwej drogi rozwoju może pomóc sprawdzać, jak zmiany związane z chorobą oddziałują na konkretne neurony.

Znaczenie dla badań nad chorobami neuronów ruchowych

Neurony ruchowe tyłomózgowia uczestniczą w kontroli funkcji czaszkowych, w tym mięśni odpowiedzialnych za ruchy twarzy, połykanie i oddychanie. Możliwość otrzymywania takich komórek z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych może wspierać badania laboratoryjne nad schorzeniami, w których są one uszkadzane, między innymi rdzeniowym zanikiem mięśni (SMA) i stwardnieniem zanikowym bocznym (ALS).

Najbliższym zastosowaniem są jednak modelowanie chorób i testowanie potencjalnych leków, a nie gotowa terapia. Badanie wskazuje możliwy kierunek dla medycyny regeneracyjnej, lecz nie dowodzi skuteczności przeszczepów ani klinicznej regeneracji. 1

Najważniejszy wniosek

Wyniki zmieniają sposób myślenia o projektowaniu komórek mózgowych w laboratorium. Zamiast próbować skierować „ogólnego” prekursora nerwowego w dowolny rejon mózgu, naukowcy mogą potrzebować od samego początku wybrać właściwą linię rozwojową.

Dla badań nad tyłomózgowiem oznacza to rozpoczęcie od ścieżki powiązanej z Gbx2. Jeżeli model zostanie potwierdzony w dalszych pracach, hodowane neurony tyłomózgowia mogą stać się wierniejszym narzędziem do badania chorób i oceniania nowych interwencji. 1