Чтобы сделать человеческий мозг, нужно много клеток. В органе находится не только огромное количество нейронов (десятки миллиардов), но и впечатляющее разнообразие типов нейронов. В последние годы ученые проводят инвентаризацию этих классов клеток – информацию, которая будет иметь важное значение для понимания того, как работает мозг. В рамках этого проекта ученые из Рокфеллера описали новую методологию характеристики нейронов и их паттернов экспрессии генов с непревзойденной точностью.
Исследование, опубликованное в eLife, предполагает, что даже некоторые из наиболее хорошо изученных типов нейронов все еще хранят секреты. Ученые показывают, что гены, экспрессируемые конкретным типом клеток, могут различаться у разных видов и людей. И они предполагают, что понимание этих молекулярных различий может оказаться полезным для выявления клеточных аномалий, лежащих в основе заболеваний головного мозга.
Джин Джинн
Мозг мыши – это не то же самое, что мозг человека – это бесспорно. Тем не менее, когда дело доходит до клеток в этих нервных системах, выявить несоответствия не так-то просто. Например, гранулярные клетки обнаруживаются в мозжечковой области мозга как мыши, так и человека. А под микроскопом гранулярная клетка выглядит примерно одинаково, вне зависимости от того, от какого животного она произошла.
Но, оказывается, внешность обманчива.
Натаниэль Хайнц, профессор Джеймса и Мэрилин Саймонс, подозревал, что нейроны разных видов различаются тонкими, но важными способами. Чтобы выявить такие различия, его лаборатория намеревалась определить, какие гены экспрессируются в нейронах мозжечка из мозга мыши и человека.
Усовершенствуя установленные методы, научный сотрудник Сиоа Сюй использовал специфичные для клеток антитела для очистки ядер от хорошо задокументированных нейронных подтипов – клеток Пуркинье, гранулярных клеток и клеток-корзинок – и для анализа того, какие гены они экспрессировали. Чтобы подтвердить эти результаты, аспирант Елица Стоянова использовала методику под названием ATAC-seq, еще один способ определения того, какие гены включены в конкретной клетке.
Используя эти подходы, исследователи обнаружили, что нейроны человека экспрессируют сотни генов, которые нейроны мыши не экспрессируют. Хайнц связывает это несоответствие с эволюционными изменениями, влияющими на регуляцию генов.
Гены, которые экспрессируют нейроны, определяют, как эта клетка реагирует на стимулы, как на нее влияет болезнь и как она реагирует на лекарства. Поэтому любые расхождения в регуляции генов, говорит Хайнц, могут иметь серьезные последствия для исследователей, использующих модели грызунов для изучения заболеваний мозга человека.
"Вы не можете предположить, что когда вы проводите межвидовые эксперименты, результаты будут идентичными," он говорит. "Во многих случаях они будут, но в некоторых случаях они не будут."
Изменения от мозга к мозгу
Помимо изучения генетических различий между видами, исследователи также искали изменения, которые могут произойти в течение жизни одного человека. Они обнаружили, что старые нейроны экспрессируют гены в разных пропорциях, чем их более молодые коллеги. Однако, поясняет Хайнц, клетки не всегда стареют с одинаковой скоростью.
"Когда мы построили график изменений экспрессии генов в зависимости от возраста, мы заметили, что клетки некоторых людей выглядели биологически старше своего хронологического возраста," он говорит. "А поскольку возраст является определяющим фактором начала дегенеративных заболеваний человека, возможно, что эти, казалось бы, старые клетки более уязвимы для болезней."
Исследователи обнаружили, что старение – не единственный фактор, который может повлиять на экспрессию генов. В некоторых мозгах они наблюдали отчетливые генетические отклонения, которые были вызваны какой-то неизвестной переменной – возможно, расстройством мозга или, возможно, каким-то другим фактором. Потребуются дополнительные исследования, чтобы установить, что может лежать в основе такого типа изменения экспрессии генов. Однако Хайнц говорит, что его воодушевляет тот факт, что его команда вообще смогла наблюдать эти изменения.
"Это показывает нам, что мы можем обнаруживать изменения на молекулярном уровне, которые могут быть важны в контексте заболеваний, влияющих на определенные типы клеток в головном мозге," он говорит.