Генно-модифицированный хорек может помочь понять, как у людей появился большой мозг.
Деактивировав ген, связанный с аномально маленьким размером мозга у людей, исследователи создали первого хорька с неврологической мутацией. По словам Кристофера Уолша, исследователя Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI), первоначальным импульсом работы было изучение болезней и развития головного мозга человека, но результаты также проливают свет на то, как человеческий мозг расширялся в ходе эволюции.
«Я получил образование невролога и изучаю детей с заболеваниями головного мозга, связанными с развитием», - говорит Уолш из Бостонской детской больницы. «Никогда не думал, что буду изучать эволюционную историю человечества».
Он и его коллеги вместе с лабораторией Бён-Иль Бэ в Йельском университете сообщают о работе 11 апреля 2018 года в журнале Nature.
Обычно внешний слой человеческого мозга, называемый корой головного мозга, большой и сильно складчатый. Но что-то может пойти не так, когда эмбриональный мозг строится, что приводит к гораздо меньшему размеру коры. Это происходит при микроцефалии, состоянии, при котором у младенцев голова и мозг значительно меньше, чем обычно. Микроцефалия может иметь генетические корни, и ее также связывают с недавними вспышками вируса Зика.
Исследователи идентифицировали гены, которые играют роль в этом состоянии, некоторые из которых необходимы для роста коры головного мозга во время эмбрионального развития. Мутации в гене под названием ASPM, например, уменьшают размер человеческого мозга на 50 процентов, делая его примерно таким же размером, как мозг шимпанзе.
Ученые изучали микроцефалию на мышах, чтобы лучше понять состояние человека, но изучение человеческих заболеваний у мышей может оказаться сложной задачей. Мозг мыши в тысячу раз меньше человеческого, и в нем отсутствуют несколько видов клеток мозга, которые в изобилии встречаются у людей. Инактивация Aspm у мышей уменьшает их мозг лишь примерно на 10 процентов. Это такой незаметный дефект, что эти животные, называемые мышами с нокаутом Aspm, дают ограниченное представление о развитии коры головного мозга человека, говорит Уолш, который возглавляет Центр исследований Аллена в Бостонской детской больнице и Гарвардской медицинской школе.
Это побудило команду Бэя и Уолша генетически инактивировать или «отключить» Aspm у млекопитающего с более крупной и запутанной корой, больше похожей на человеческую. По словам Уолша, хорьки отвечают этим требованиям, потому что это млекопитающие с большим мозгом, которые быстро и легко размножаются. «На первый взгляд хорьки могут показаться забавным выбором, но они были важной моделью для развития мозга в течение тридцати лет».
Тем не менее, ученые не провели много исследований генетики хорьков. Сама идея хорька, нокаутирующего Aspm, считалась новой и немного рискованной. В 2013 году Уолш представил свой проект HHMI и получил необходимое для его реализации увеличение бюджета. Нокаутирующий хорек Aspm его команды - всего лишь второй нокаутирующий хорек из когда-либо созданных. Один из соавторов исследования, Джон Энгельхардт из Университета Айовы, провел первое исследование муковисцидоза почти 10 лет назад.
Уолш, Бэй и их коллеги обнаружили, что их хорьки гораздо точнее моделируют человеческую микроцефалию, чем мыши. У хорьков был сильно сморщенный мозг, а вес мозга уменьшился на 40 процентов. И, как и у людей с этим заболеванием, толщина коры и организация клеток были сохранены.
Более того, хорьки раскрывают возможный механизм того, как человеческий мозг вырос за время эволюции. За последние семь миллионов лет размер человеческого мозга утроился. Большая часть этого расширения произошла в коре головного мозга.
Действительно, у мутантных хорьков исследователи проследили дефицит коры головного мозга до типа стволовых клеток, называемых наружными радиальными глиальными клетками (ОРГ). ORG создаются стволовыми клетками, способными создавать самые разные клетки коры головного мозга. Команда Уолша обнаружила, что Aspm регулирует время перехода между этими стволовыми клетками и ОРГ. Это влияет на соотношение ОРГ к другим типам клеток. Таким образом, по словам Уолша, настройка Aspm может увеличить или уменьшить количество нервных клеток в мозге без необходимости одновременного изменения многих генов.
Это намек на то, что ген мог сыграть роль в эволюции человеческого мозга. «Природа должна была решить проблему изменения размера человеческого мозга без необходимости переделывать все это целиком», - говорит Бэ.
Aspm кодирует белок, который является частью клеточного комплекса, называемого центриолем. Уолш и его коллеги обнаружили, что выключение этого гена нарушает организацию и функцию центриолей, что указывает на лежащий в основе биохимический механизм дефицита мозга, наблюдаемого у хорьков..
У человека несколько генов, связанных с белками центриолей, включая ASPM, претерпели недавние эволюционные изменения. Эти гены могут даже иметь важное значение для отличия людей от неандертальцев и наших ближайших ныне живущих родственников, шимпанзе, говорит Уолш.
В целом, по его словам, исследование демонстрирует преимущества использования хорьков для изучения некоторых неврологических расстройств человека. Это также указывает на новые механизмы, работающие в развитии мозга отдельных людей и таких видов, как человек, в ходе эволюции.
«Оглядываясь назад, это имеет смысл, - говорит Уолш. «Гены, которые объединяют наш мозг во время развития, должно быть, были генами, которые эволюция изменила, чтобы сделать наш мозг больше».