Развитие мозга - это тщательно поставленный хореографический танец. Нейроны развивают специализированные функции и, совершая небольшие прыжки, перемещаются по мозгу, чтобы занять правильное положение. Химические сигналы, проходящие через образовавшуюся сеть, позволяют животным думать, чувствовать и жить.

Однако при расстройствах нейрального развития (NDD) сотни мутаций в ДНК могут прервать этот процесс. Однако ученые до сих пор не знают, каким образом каждая из этих мутаций нарушает точную дифференцировку или миграцию нейронов. Изучать эти дефекты непосредственно на эмбрионах или новорожденных слишком опасно, а другие животные модели могут отклоняться от развития человека.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, Sergiu Pasca, нейробиолог из Стэнфордского университета, и его коллеги объединили assembloid технологию с редактированием генов CRISPR для определения роли генов заболеваний нейрального развития в типичном развитии мозга и при том хаосе, который возникает при их отсутствии¹.

"Наконец-то у нас есть длинный список генов, вызывающих аутизм", - говорит Pasca. "Вопрос в том, как понять их функции, особенно в контексте того, насколько сложным является развитие человеческого мозга?"

За последние десять лет ученые смогли превратить стволовые клетки в органоиды мозга - трехмерные скопления клеток, в которых выращиваются клетки, сходные по типу и структуре с человеческим мозгом.² Шесть лет назад команда Pasca's сделала еще один шаг вперед и соединила два органоида, где каждый органоид представлял отдельную область мозга.³ Эта новая модель, названная ассемблоидом (assembloid), позволила ученым искусственно имитировать взаимодействия, происходящие внутри мозга.

Интернейроны (зеленые) мигрируют по ассемблеру, подобно тому, как они мигрируют в кору во время развития мозга. PASCA LAB

Новое исследование было посвящено промежуточным нейронам (интернейронам), которые передают важнейшие сенсорные и моторные сигналы в мозге. В процессе развития эти нейроны перемещаются из одной части переднего мозга в другую, где они регулируют чрезмерное возбуждение других нейронов, и этот процесс, по некоторым данным, нарушается при нарушениях нейрального развития⁴.

Команда Pasca создала более 1000 органоидов, имитирующих те части переднего мозга, где интернейроны начинают и заканчивают свой путь: subpallium и cortex. В каждом органоиде субпаллиума с помощью технологии редактирования генов CRISPR был удален один из 425 генов нейрального развития, выбранных исследователями. Затем были получены составные органоиды путем слияния органоидов субпаллиума с органоидами коры головного мозга, подвергнутых генному редактированию. Пометив интернейроны молекулой, излучающей зеленый свет, ученые смогли проследить за образованием интернейронов и их перемещением между двумя половинами ассемблоида.

Исследователи обнаружили, что 11% генов, связанных с нейральным развитием, играют существенную роль в функционировании интернейронов. При отсутствии некоторых генов интернейроны вообще не формировались. Исключение других генов не позволяло интернейронам перемещаться из органоида субпаллиума в прилегающий органоид коры головного мозга. Более глубокое изучение одного гена - LNPK - показало, что он нарушает движение субклеточных структур в интернейронах, что не позволяет клеткам перемещаться по головному мозгу.

"Мы достигли того уровня, когда можем буквально взять сотни генов и коллективно отобразить их роль на стадиях развития человеческого мозга, которые ранее были недоступны", - говорит Pasca. Он считает, что такой подход может помочь выявить новые гены, вызывающие заболевания. "Как только мы определим все гены, вмешивающиеся в миграцию интернейронов, возможно, найдутся гены, о которых мы даже не подозреваем, что они вызывают заболевания, поскольку пациенты встречаются слишком редко".

Kristen Brennand, генетик из Йельского университета, не принимавшая участия в исследовании, отметила, что данное исследование предлагает более физиологически релевантный контекст человеческого мозга по сравнению с предыдущими исследованиями, в которых использовались нейрональные клетки предшественники. Однако она подчеркнула важность повторения исследования с использованием большего количества образцов. "Три разных человека могут унаследовать один и тот же ген риска, и у одного из них будет аутизм, у другого - шизофрения, а третий не пострадает", - отметила она. "Редкие гены NDD не действуют изолированно".

Pasca признает, что миграция интернейронов может определять лишь подмножество случаев нейроразвития, но он считает, что обнаружение этих ключевых процессов заболевания может вдохновить на создание новых лекарств для лечения или устранения дефектов. Его команда приступила к изучению того, как эти гены могут влиять на функционирование интернейронов. "Моя лаборатория известна разработкой инструментов, но это никогда не было ее целью", - сказал Pasca. "Моя цель - попытаться понять биологию тяжелых психических расстройств".

1. Meng X, et al. Assembloid CRISPR screens reveal impact of disease genes in human neurodevelopment. Nature. 2023.

2. Lancaster M, et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013; 501(7467):373-9.

3. Birey F, et al. Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids. Nature. 2017; 545(7652):54-59.

4. Penagarikano O, et al. Absence of CNTNAP2 leads to epilepsy, neuronal migration abnormalities and core autism-related deficits. Cell. 2011; 147(1):235-46.