Хорьки-мутанты проливают свет на эволюцию человеческого мозга
Изучая развитие человеческого мозга с помощью модели мутантного хорька, ученые случайно наткнулись на ключ к разгадке эволюции нашего огромного мозга.
Люди наделены относительно большим мозгом. И за последние 7 миллионов лет - короткий промежуток времени с точки зрения эволюции - размер нашего мозга утроился.
Кора головного мозга, извитый и складчатый внешний слой, особенно характерна для людей. Почему и как наш мозг стал настолько проклятым, является предметом многочисленных споров, а доказательства в настоящее время скудны.
Поиск ключей к разгадке генетических и биологических сдвигов, произошедших миллионы лет назад, подобен поиску иголки в стоге сена на другом конце Вселенной. Однако время от времени леди Интуиция улыбается ученым.
Недавно исследователи из ряда учреждений, включая Медицинский институт Говарда Хьюза в Чеви Чейз, доктор медицины, Йельский университет в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, и Бостонскую детскую больницу в Массачусетсе, провели серию исследований, посвященных микроцефалии.
Их исследования были плодотворными и углубили наше понимание микроцефалии, но они также приблизили нас к этой иголке в дальнем стоге сена. Их выводы были недавно опубликованы в журнале. Природа.
«Я получил образование невролога и изучаю детей с пороками развития головного мозга, - объясняет доктор Кристофер Уолш из Бостонской детской больницы. «Я никогда не думал, что буду вглядываться в эволюционную историю человечества».
Как исследовать микроцефалию
Младенцы с микроцефалией имеют гораздо меньшую голову, чем обычно, и их кора головного мозга сформирована неправильно. Это заболевание часто является генетическим, хотя в последнее время его также связывают с вирусом Зика.
Как и почему кора головного мозга не формируется должным образом, до конца не изучено. Одна из причин, по которой изучение этой темы так сложно, - это отсутствие хорошей модели; Чаще всего используется модель мыши, но она не подходит по назначению.
Мозги мыши, как и следовало ожидать, крошечные. Кроме того, мыши не обладают таким же разнообразным набором клеток мозга, как люди, и их кора гораздо более гладкая.
Ген, наиболее часто участвующий в микроцефалии, - это ген, который кодирует белок, известный как Aspm. Когда этот ген мутируется, человеческий мозг будет примерно вдвое меньше нормального размера.
Однако у мышей без этого гена - так называемых мышей с нокаутом Aspm - их мозг сокращается всего на одну десятую. Это едва заметное изменение бесполезно для ученых.
В поисках лучшей модели микроцефалии исследователи, возглавляемые доктором Уолшем и Бёнг-Иль Бэ из Йельского университета, обратились к хорькам.
Поначалу это может показаться странным выбором животного, но это имеет смысл; хорьки крупнее и имеют сложную кору с таким же набором типов клеток, что и люди. Также, как и мыши, они быстро и свободно размножаются.
Как объясняет доктор Уолш: «На первый взгляд хорьки могут показаться забавным выбором, но они были важной моделью для развития мозга в течение 30 лет».
Хотя хорьки и раньше доказали свою полезность, о генетике хорьков известно немного, поэтому создание нокаутной версии животного по Aspm было бы сложной задачей. Однако доктора Уолша это не остановило; он получил финансирование и приступил к работе.
Нокаутный хорек Aspm - лишь второй нокаутный хорек, которого когда-либо создавало человечество.
Как и ожидалось, мозг хорьков с нокаутом Aspm был на 40 процентов меньше обычного, что значительно приближало его к человеческой версии микроцефалии. И, как и в случае с микроцефалией человека, толщина коры не изменилась.
Ключ к эволюции мозга
Помимо разработки новой и полезной модели микроцефалии человека, ученые также погрузились в решение гораздо более сложной проблемы: как мы развили такой большой мозг?
Они исследовали, как потеря Apsm так же повлияла на мозг хорьков. Дефекты были связаны с изменениями в поведении радиальных глиальных клеток.
Радиальные глиальные клетки развиваются из нейроэпителиальных клеток, которые являются стволовыми клетками нервной системы. Они способны развиваться в различные типы клеток коры головного мозга.
Начинаясь около развивающихся желудочков головного мозга, радиальные глиальные клетки движутся к формирующейся коре головного мозга. По мере того, как эти клетки удаляются от своей начальной точки, они постепенно теряют способность развиваться в различные типы клеток мозга.
Команда обнаружила, что недостаток Apsm заставляет радиальные глиальные клетки легче отделяться от желудочков и рано начинает свою миграцию.
Как только время истекло, соотношение радиальных глиальных клеток к другим типам клеток изменилось, что привело к уменьшению количества нервных клеток в коре головного мозга. Apsm действует как регулятор, увеличивая или уменьшая общее количество корковых нейронов. И в этом ключ к разгадке эволюции человеческого мозга.
«Природе пришлось решить проблему изменения размера человеческого мозга без необходимости переконструировать все это».
Бён-Иль Бэ
Таким образом, Apsm изменяет развитие мозга, влияя на функцию центриолей или клеточных структур, участвующих в делении клеток. Без Apsm центриоли не выполняют свою работу должным образом.
Недавно несколько генов, участвующих в регуляции белков центриолей, включая Apsm, претерпели эволюционные изменения. Доктор Уолш считает, что, возможно, именно эти гены отличают нас от шимпанзе или наших дальних родственников неандертальцев.
«Оглядываясь назад, это имеет смысл, - говорит доктор Уолш. «Гены, которые объединяют наш мозг во время развития, должны были быть генами, которые эволюция изменила, чтобы сделать наш мозг больше».
Изменяя этот единственный ген, можно изменить миграцию радиальных глиальных клеток и увеличить размер коры. Эти исследования предоставляют новую модель микроцефалии и новое понимание происхождения нашего раздутого мозга.
