Учёные разработали карту того, как клетки взаимодействуют, чтобы сформировать мозг

от

Изучение процесса формирования мозга

Исследование процесса формирования мозга проливает свет на то, насколько сложным и чудесным является развитие. Всего несколько недель после оплодотворения человеческой яйцеклетки слой клеток, называемый нервной пластинкой, расширяется, растягивается и сворачивается, образуя трубку. Этот тонкий танец клеток формирует то, что станет нашим мозгом и спинным мозгом — основой наших мыслей, чувств и действий.

Как клетки «узнают», кем они станут

Механизм, с помощью которого клетки «узнают», кем они станут, до конца не изучен, но новое исследование Эрика Брукса, биолога развития в Колледже ветеринарной медицины штата Северная Каролина, и его коллег даёт некоторые подсказки.

Изучая, как паттерны экспрессии РНК изменяются в клетках ранних эмбрионов мышей, учёные разработали карту нервной пластинки и проследили за её развитием, когда она формировала нервную трубку. В процессе Брукс и его коллеги показали, что они могут точно определить, где клетка будет двигаться в раннем мозге, основываясь исключительно на РНК, которую эта клетка экспрессирует.

Результаты исследования

Опубликованные в eLife, [результаты исследования](https://elifesciences.org/articles/102819) могут помочь учёным по всему миру в понимании развития мозга — и того, как предотвратить его неправильное развитие.

Все эмбрионы начинаются с шара клеток. Эти клетки размножаются и дифференцируются во времени в ткани, которые мы узнаём как наши мышцы, кости, мозг и органы. Клетки, которые станут центральной нервной системой — мозгом и спинным мозгом — одними из первых начинают формироваться.

Брукс всегда интересовался тем, как клетки узнают, куда им идти, как они понимают своё будущее место и роль.

«Многих людей в корне интересует, откуда берётся мозг», — говорит Брукс. Учёные знают, что химические сигналы формируют градиенты — концентрации, которые помогают направлять клетки туда, где они должны быть. Но изменения, происходящие внутри этих клеток — изменения, которые превращают эти клетки в разные типы нейронов и поддерживающие клетки, все они взаимодействуют друг с другом очень специфическим образом — остаются загадкой.

«Что на самом деле помогает дифференцировать эти клетки друг от друга? — задаётся вопросом Брукс. — Или позволяет им делать определённые вещи, например, создавать форму ткани?»

Сложная хореография предлагает множество возможностей для ошибок.

«Дефекты в формировании этой структуры, черепной нервной трубки, или нервной трубки в более широком смысле, являются одними из наиболее распространённых дефектов развития у людей, — говорит Брукс, — они затрагивают одного из каждых 2000 новорождённых».

Если дефекты находятся в той части трубки, которая формирует будущий спинной мозг, результатом могут быть различные виды расщелины позвоночника. Но если трубка не закрывается в черепной области, которая станет мозгом, «это несовместимо с жизнью», — говорит Брукс.

Для лучшего понимания путей, по которым следуют клетки, и того, как они достигают своей конечной судьбы, Брукс сотрудничал с лабораториями вычислительного биолога Даны Пир и биолога развития Дженнифер Зэллен, исследователями Медицинского института Говарда Хьюза в Мемориальном онкологическом центре Слоуна-Кеттеринга, чтобы изучить экспрессию РНК в клетках черепной нервной пластинки мыши.

Внутри каждой клетки ДНК предлагает одинаковую инструкцию. Каждая клетка извлекает разную информацию из инструкции для выполнения своих задач, транскрибируя инструкции в РНК. Отслеживая, какая РНК экспрессируется в клетке, учёные могут определить, какие гены клетка использует для управления своей деятельностью.

Брукс и его коллеги тщательно изолировали клетки из эмбрионов мышей между 7,5 и 9 днями после оплодотворения — время, когда нервная пластинка расширяется и закрывается, образуя нервную трубку у мышей. Они использовали технику, называемую секвенированием РНК отдельных клеток, чтобы разделить более чем 17 000 клеток и показать, какая РНК была активна в каждой клетке.

Учёные смогли построить набор карт, показывающих, где разные клетки экспрессируют специфическую РНК в разные моменты времени. Результат — красивый клеточный атлас, где цвета переливаются по разным областям в определённые моменты времени, когда клетки делятся и изменяются в течение 1,5 дней.

Брукс и его коллеги показали, что экспрессию РНК каждой клетки можно использовать для определения того, откуда эта клетка — из переднего, среднего или заднего мозга. Другие паттерны экспрессии показали, откуда клетки пришли — из середины пластинки или ближе к внешнему краю.

Учёных также интересовал конкретный ген, называемый Sonic Hedgehog. Экспрессия этого гена запускает каскад других генетических сигналов.

«Sonic Hedgehog сам по себе экспрессируется в виде узкой полосы прямо на средней линии ткани», — объясняет Брукс.

Слишком сильная сигнализация Sonic Hedgehog может вызвать проблемы с закрытием нервной трубки — прервав развитие ранних структур мозга. С помощью своего атласа секвенирования РНК Брукс и его коллеги смогли [подтвердить некоторые из своих предыдущих выводов](https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33103996/), показав, как сверхэкспрессия Sonic Hedgehog влияет на нервную трубку. Мутации в гене предотвращали скручивание краёв нервной пластинки и формирование трубки.

«Одна из действительно увлекательных вещей в развитии — это то, что оно в целом носит прогрессивный характер», — говорит Брукс. «Вы строите на том, что уже произошло. И поэтому этапы, которые мы выделили в этом атласе, действительно важны».

Карта РНК показывает, как клетки начинают организовываться, а также даёт представление об их будущем — о том, какие роли они могут играть и какие связи могут образовать в будущем.

Брукс надеется, что другие учёные также будут использовать этот атлас, чтобы задавать вопросы о развитии мозга на очень ранних стадиях. «Это, безусловно, то, что мы считаем ресурсом для сообщества», — говорит он.

Многие вопросы остаются открытыми относительно того, как взаимодействуют клеточные слои раннего эмбриона. С помощью атласа учёные могут лучше понять, как эмбрион переходит от нескольких слоёв простых клеток к сложной системе полностью сформированного человеческого мозга.

Предоставлено [North Carolina State University](https://phys.org/partners/north-carolina-state-university/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте