Дослідники Stanford виявили два ранні «маршрути» розвитку мозку

Дослідники Stanford Medicine дійшли висновку, що передня і задня частини мозку не формуються шляхом поступового поділу однієї ранньої популяції нервових клітин. Натомість на дуже ранньому етапі розвитку діють дві окремі програми клітин-попередників: лінія з експресією гена Otx2, яка дає початок передньому та середньому мозку, і лінія з експресією Gbx2, спрямована на формування заднього мозку. 1

Це важливо не лише для ембріології. Висновок пояснює, чому в лабораторії так складно отримати клітини стовбура мозку з правильною регіональною ідентичністю: для цього, ймовірно, потрібно від початку вести стовбурові клітини власним шляхом розвитку заднього мозку, а не намагатися перетворити вже «передній» нервовий попередник.

Дві популяції видно вже під час гаструляції

Команда досліджувала ембріони мишей у період гаструляції — одному з найперших ключових етапів розвитку зародка. Вона виявила передню популяцію нейроектодерми, позначену Otx2, нащадки якої мають утворювати передній і середній мозок. Окремо існувала задня популяція з маркером Gbx2, запрограмована на формування заднього мозку. За повідомленням Stanford Medicine, ці дві популяції не перекривалися на жодному з найраніших досліджених етапів. 1

Звична модель припускала, що спільний ранній нервовий попередник поступово набуває передньої або задньої ідентичності. Нові дані натомість підтримують модель паралельного визначення долі: програми розвитку переднього/середнього та заднього мозку відокремлені від самого початку.

Хроматин підтвердив різну клітинну «програму»

Експресія генів показує, які гени активні в клітині в певний момент. Дослідники також проаналізували хроматин — спосіб упаковування ДНК і її доступність для роботи генів.

Передня і задня нейроектодерма мали різні стани хроматину. На думку авторів, це підсилює висновок про окремі траєкторії розвитку: популяції, пов’язані з Otx2 та Gbx2, не є просто взаємозамінними клітинами, які пізніше по-різному реагують на сигнали.

Попередні дослідження вже показали, що Otx2 і Gbx2 позначають протилежні ділянки поблизу майбутньої межі між середнім і заднім мозком: Otx2 потрібен для розвитку переднього та середнього мозку, а Gbx2 — для передньої частини заднього мозку. 1 Нова робота переносить цей поділ на ще ранніший рівень — до різних популяцій клітин-попередників.

Чому це змінило підхід до стовбурових клітин

Практичним наслідком стала нова стратегія отримання рухових нейронів заднього мозку з людських плюрипотентних стовбурових клітин.

Якщо ідентичність заднього мозку виникає в окремій Gbx2-пов’язаній лінії, то методи, що спочатку створюють нервові попередники переднього типу, а потім намагаються надати їм задню ідентичність, можуть суперечити цій біологічній межі. Тому дослідники спрямували людські стовбурові клітини через задню програму розвитку.

За даними Stanford Medicine, так у культурі вдалося отримати функціональні людські рухові нейрони заднього мозку. Клітини генерували потенціали дії та мали молекулярні ознаки ділянок заднього мозку, пов’язаних із контролем м’язів обличчя та ковтанням. 1

Модель для вивчення хвороб стовбура мозку

Рухові нейрони заднього мозку важливі для досліджень станів, за яких порушення роботи стовбура мозку можуть впливати на ковтання й дихання, зокрема спінальної м’язової атрофії та бічного аміотрофічного склерозу (БАС).

Водночас результат не означає, що створено лікування або що вирощені клітини відтворюють усі прояви хвороби. Найближча цінність роботи — у точнішій лабораторній моделі: вона дає змогу досліджувати людські нейрони лінії заднього мозку з відповідною регіональною ідентичністю та функцією.

Давня еволюційна схема

Автори також повідомили про подібну двопочаткову організацію у курячих ембріонів, ембріонів рибок даніо та жолудевих червів — далеких вторинноротих родичів хребетних. На підставі цих порівнянь вони припускають, що поділ на передню й задню нервові програми має дуже давнє походження: орієнтовно 550 мільйонів років. 1

Це саме еволюційний висновок, зроблений зі спільної організації розвитку в різних тварин, а не твердження, що сучасні мозки цих видів однакові. Імовірно, збереглася базова логіка: окремі передня і задня нервові програми разом формують інтегровану нервову систему.

Що означає формула «два окремі органи»

Таке формулювання навмисно привертає увагу, але його не слід розуміти буквально. У дорослої людини немає двох ізольованих мозків: його відділи анатомічно з’єднані та функціонально взаємозалежні.

Доказовий висновок вужчий і стосується розвитку: передній/середній мозок і задній мозок, схоже, виникають із різних ранніх клітинних ліній, що не перекриваються. Саме це може пояснити попередні труднощі зі створенням клітин стовбура мозку в лабораторії та показати, чому відтворення правильного ембріонального шляху має значення. 1