Исследователи из Гарвардского университета и Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда создали первый подробный атлас критической области развивающегося мозга мыши, применив несколько передовых геномных технологий к той части коры головного мозга, которая отвечает за обработку ощущений от тела. Измеряя, как активность и регуляция генов меняются с течением времени, исследователи теперь лучше понимают, как устроена кора головного мозга, а также имеют совершенно новый набор инструментов для изучения того, как кора головного мозга поражается при заболеваниях нервной системы. Исследование опубликовано в журнале Nature.
"У нас был давний интерес к пониманию развития коры головного мозга млекопитающих, поскольку это центр познания более высокого порядка и часть мозга, которая больше всего расширилась и разнообразилась в ходе эволюции человека," сказала Паола Арлотта, соавтор исследования и профессор стволовых клеток и регенеративной биологии семьи Голуб в Гарвардском университете. "В этом исследовании мы смотрели на кору через очень тонкую линзу, практически профилируя все ее клетки, одну за другой, каждый день развития. Мы каталогизировали изменения в экспрессии и регуляции генов на беспрецедентном уровне временного разрешения, чтобы построить первую молекулярную карту этой удивительной ткани с разрешением одной клетки. Карта позволила нам извлечь первые механистические принципы, регулирующие построение коры головного мозга, и начать расшифровывать, как генетические аномалии влияют на такой высоко контролируемый процесс в эмбрионе."
"В развивающемся мозге мы должны учитывать три вещи: типы клеток, которые присутствуют, где эти клетки расположены и на какой стадии они находятся в развитии. Кроме того, определяя движущие силы, которые направляют этот процесс в нормальном развитии, мы можем лучше понять, что может пойти не так при болезни," – сказал соавтор исследования Авив Регев, который был одним из основных членов Института Броуда, когда началось исследование, и в настоящее время возглавляет отдел исследований и ранних разработок Genentech.
Исследователи сосредоточились на соматосенсорной коре, которая может служить моделью для других областей коры головного мозга, поскольку она содержит клетки, представляющие все ее основные классы. Каждый день развития коры головного мозга исследователи анализировали с использованием нескольких технологий на уровне отдельной клетки. Они использовали RNA-seq, чтобы измерить, какие гены экспрессируются, а также пространственную транскриптомику, чтобы измерить, где гены экспрессируются в ткани. Они также использовали ATAC-seq, чтобы измерить, какие части генома доступны для регуляции.
"Эти технологии позволили нам изучить различные способы экспрессии генов и то, как гены регулируют друг друга. Комбинируя эти три способа, мы лучше понимаем, какие гены являются важными для управления развитием нейронов, например:" сказала Даниэла Ди Белла, научный сотрудник лаборатории Арлотты и соавтор исследования.
Например, неясно, когда именно установлено разнообразие кортекса различных популяций нейронов. "Мы обнаружили, что различные ароматы нейронов определяются в процессе созревания нейронов, а не устанавливаются заранее в их стволовых клетках," Ди Белла сказал.
Исследователи также использовали свои данные, чтобы предсказать основной механизм того, как генетическая мутация приводит к дефектам коркового развития, и выяснили, какие конкретные этапы развития терпят неудачу и какие клетки подвергаются воздействию.
"Мы создали уникальный комплексный молекулярный атлас развивающейся соматосенсорной коры и продолжаем собирать данные для более глубокого понимания," сказал со-первый автор Эхсан Хабиби. "Наша цель состоит в том, чтобы наши данные служили ресурсом для более широкого сообщества нейробиологов и информировали о том, как эта область смотрит на развитие мозга, как в нормальных, так и в болезненных процессах."
"Эти комбинированные обширные измерения предоставили нам первое динамическое представление о симфонии молекулярных событий, которые разворачиваются по мере того, как эта критическая область мозга выстраивается в эмбрионе," – сказала Арлотта, которая также является членом Центра психиатрических исследований Стэнли при Институте Броуда.
"Исследователи изучали процесс развития коры головного мозга более века, но механистические события, которые определяют, как создаются клетки и как они взаимодействуют, чтобы в конечном итоге сформировать функциональную цепь, оставались неуловимыми. Как область, мы исторически изучали эту сложную развивающуюся ткань, по одному типу клеток за раз, и исследовали небольшое количество генов на предмет их роли в соединении частей этой удивительной головоломки. Но в мозгу одновременно не развивается один тип клеток – это действительно симфония в том смысле, что сотни типов клеток развиваются вместе, используя постоянно меняющиеся ландшафты генов для формирования взрослой ткани. А теперь представьте, что впервые у вас есть полный «рецепт» генов, которые любой данный класс клеток использует в процессе своего развития. Представьте себе также получение подробных знаний о «кодах генов», которые включаются или выключаются, когда отдельные линии клеток отделяются друг от друга и строятся. Этот тип всеобъемлющего механистического знания дает возможность совершенно по-новому изучить развитие коры головного мозга, рассматривая все клетки и все гены. У нас никогда не было такой полной информации, и я должен признать, что смотрел на данные с трепетом, думая о типе открытий, которые они позволяют."
"Десять лет назад это исследование было бы невозможно, потому что технологии либо не существовали, либо еще не были достаточно зрелыми," Регев сказал. "Но с достижениями в одноклеточной и пространственной транскриптомике, а также с новыми алгоритмами машинного обучения для анализа больших данных, мы смогли отобразить, где развиваются клетки, составить эти карты вместе и посмотреть, как развитие разворачивается, как в кино, с течением времени. Мы смогли не только реконструировать фильм, но и связать эту картинку с более глубоким биологическим пониманием развития мозга. Мы надеемся, что этот подход однажды поможет нам лучше понять и лечить заболевания головного мозга."
Арлотта добавила: "Это довольно интересный фильм, который я ждал с нетерпением большую часть своей научной карьеры."