Мозг формируется из двух ранних клеточных программ, показало исследование Stanford Medicine

Исследователи Stanford Medicine пришли к выводу, что передние и задние отделы мозга не возникают из одной ранней нервной популяции, которая затем постепенно делится на регионы. По их данным, уже на самых ранних этапах эмбрионального развития существуют две отдельные и не перекрывающиеся программы: клетки с экспрессией гена Otx2 дают начало переднему и среднему мозгу, а клетки с экспрессией Gbx2 формируют задний мозг, включая структуры ствола мозга. 1

Это уточняет не только схему развития мозга, но и подходы к работе со стволовыми клетками: чтобы получить клетки заднего мозга, недостаточно сначала создать «передний» тип нервного предшественника и затем попытаться изменить его идентичность. Вероятно, нужно с самого начала воспроизводить собственный путь развития заднего мозга.

Две популяции обнаружили ещё во время гаструляции

Учёные изучали эмбрионы мыши на стадии гаструляции — очень раннем этапе, когда формируется общий план тела и закладываются будущие ткани. Они выявили две популяции нервной эктодермы:

• переднюю, с экспрессией Otx2, потомки которой формируют передний и средний мозг;
• заднюю, с экспрессией Gbx2, уже направленную к формированию заднего мозга.

По сообщению Stanford Medicine, эти популяции не пересекались на самых ранних исследованных стадиях. 1 Иными словами, результат поддерживает модель параллельного задания судеб клеток, а не сценарий, при котором единый ранний предшественник позднее получает переднюю либо заднюю региональную идентичность.

Хроматин показал, что различие не сводится к временной активности генов

Экспрессия генов показывает, какие гены активны в клетке в конкретный момент. Однако исследователи также изучили хроматин — способ упаковки ДНК и её доступность для работы генов.

У передней и задней нервной эктодермы обнаружились разные состояния хроматина. Авторы интерпретируют это как дополнительное свидетельство устойчиво разных траекторий развития: связанные с Otx2 и Gbx2 клетки не выглядят как взаимозаменяемые предшественники, которые лишь позднее по-разному реагируют на внешние сигналы.

Ранее было известно, что Otx2 и Gbx2 отмечают противоположные области вблизи будущей границы среднего и заднего мозга: Otx2 необходим для развития переднего и среднего мозга, а Gbx2 — для передней части заднего мозга. Новая работа относит разделение этих программ к особенно раннему периоду развития. 1

Почему это важно для клеточных моделей

Практическая проверка идеи касалась получения двигательных нейронов заднего мозга из человеческих плюрипотентных стволовых клеток. Если задний мозг развивается по самостоятельной Gbx2-ассоциированной программе, то попытка «сдвинуть назад» уже сформированный предшественник переднего мозга может не преодолеть важное эмбриональное ограничение.

Вместо этого команда направила человеческие стволовые клетки по задней траектории развития. По данным Stanford Medicine, в результате в лабораторной культуре были получены функциональные двигательные нейроны заднего мозга человека: они генерировали потенциалы действия и обладали молекулярными признаками, характерными для областей, связанных с управлением мимикой и глотанием. 1

Такие клетки могут стать более точной моделью для исследования нарушений работы ствола мозга при спинальной мышечной атрофии и боковом амиотрофическом склерозе (БАС). При этих состояниях дисфункция нейронов может затрагивать, в частности, глотание и дыхание.

Важно: результат не означает появления готового лечения и не доказывает, что выращенные в лаборатории клетки полностью воспроизводят заболевание. Их ближайшее значение — создание более подходящей экспериментальной системы для изучения уязвимых типов нейронов и механизмов болезни.

След древней эволюционной программы

Исследователи также сообщили о сопоставимой организации раннего развития у куриных и рыбок данио эмбрионов, а также у желудёвых червей — далёких вторичноротых родственников позвоночных. На основании этих сравнений они предполагают, что базовое разделение на переднюю и заднюю нервные программы имеет очень древнее происхождение — порядка 550 миллионов лет. 1

Это именно эволюционный вывод из сходства ранней организации, а не утверждение, что нервные системы современных животных одинаковы. Вероятно, сохранилась фундаментальная логика развития: разные передняя и задняя программы вместе строят единую нервную систему.

Что означает формулировка о «двух органах»

Провокационную формулировку не следует понимать буквально. У взрослого человека нет двух изолированных мозгов: его отделы анатомически соединены и постоянно взаимодействуют.

Более точный вывод относится к эмбриональному развитию: передний и средний мозг, с одной стороны, и задний мозг — с другой, по-видимому, происходят из разных ранних, не перекрывающихся линий клеток-предшественников. Именно это может объяснять, почему воспроизвести клетки ствола мозга в культуре было столь трудно — и почему решающим оказывается следование правильному эмбриональному маршруту. 1