Развитие человеческого мозга происходит последовательно, путем упорядоченных клеточных и молекулярных шагов, которые управляются генетическими предначертаниями для создания органа для сложных вычислительных задач высшего уровня, таких как познание, память, эмоции, язык и поведение¹. Многие процессы развития мозга сохраняются у всех млекопитающих, и огромный прогресс в понимании их общей генетической основы было достигнуто благодаря функциональным исследованиям с использованием классических моделей животных. Однако эволюция также привела к появлению многочисленных видоспецифических особенностей, которые потенциально обеспечивают функции мозга более высокого порядка, уникальные для человека. Например, хотя мышиные модели сыграли важную роль в установлении генетической обусловленности многих генов, связанных с микроцефалией², ряд мышиных мутантов не полностью повторяют резко уменьшенный размер мозга, наблюдаемый у пациентов^3-6. Эти видовые различия создают существенные проблемы для использования моделей животных для определения молекулярной, клеточной, анатомической или системной сложности или для прогнозирования реакции на лечение у людей; подходы на основе человеческих клеток, которые отражают дивергентные, специфические для человека особенности^1,7-9

Межвидовая сравнительная геномика дает генетические подсказки о специфических для человека особенностях развития мозга, которые могут способствовать увеличению размера и сложности мозга¹⁰. Кроме того, неврологические и психиатрические расстройства, сопровождающиеся нарушением критических этапов развития, открывают еще одну перспективу для изучения генетики развития человеческого мозга, связывая признаки заболевания с его генетической этиологией.

Благодаря увеличению доступности высококачественных нейротипичных и патологических образцов человеческого мозга, быстрому прогрессу в технологиях молекулярной детекции и геномной ассоциации и широкогеномных исследований ассоциаций (GWAS) привели к созданию многочисленных "омических" наборов данных, обеспечивающих молекулярную характеристику (пато)физиологии развития человеческого мозга^11-13. Однако, несмотря на растущую статистическую мощность, эти анализы дают только корреляционные доказательства роли конкретных генов в развитии мозга человека, что требует дальнейшего функционального подтверждения на человеческих клеточных моделях. В сочетании с достижениями в области редактирования генома, недавно созданные модели на основе человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hPS-клеток) стали беспрецедентной платформой для исследования генотип-фенотип причинно-следственных связей в процессе развития человеческого мозга, выявляя специфическую для типа клеток генетическую регуляцию на молекулярном, клеточном и анатомическом уровнях^14,15.

Здесь мы сначала кратко изложим наше текущее понимание ключевых этапы развития человеческого мозга, выделяя особенности, характерные для человека, и фокусируясь на коре головного мозга в качестве примера. Далее мы описываем, как изучение изменений в общих ландшафтах нейрального развития в результате эволюции, генов риска, связанных с нервными и нейропсихиатрическими расстройствами или воздействиями окружающей среды, это облегчает наше понимание генетического контроля процессов развития человеческого мозга. Мы рассказываем о недавних открытиях причинных генетических механизмов, регулирующих развитие коры головного мозга, и об обогащенных человеческих клеточных и молекулярных характеристиках, о новых платформах на основе hPS, перечисляя примеры, иллюстрирующие, как эти исследования могут продвинуть наши знания о генетике развития человеческого мозга. Мы сформулируем возможности и проблемы, связанные с применением моделей на основе клеток hPS моделей для выявления причинных вариантов, ответственных за специфическое для человека развитие, функционирование и дисфункции мозга. Наконец, мы обсуждаем как интеграция моделей на основе клеток hPS с моделями животных in vivo и другими технологиями может революционизировать нашу исследовательскую парадигму для выявления причинно-следственных генетических связей между развитием человеческого мозга и заболеваниями в зависимости от типа клеток, региона мозга, стадии развития и вида, чтобы помочь в разработке терапевтических стратегий для различных нарушений развития мозга.

Развитие головного мозга человека происходит в соответствии с сохраненными пространственно-временными закономерностями у всех млекопитающих. Оно начинается с нейруляции - процесса, в ходе которого нервная пластинка, формирующаяся из эмбриональной эктодермы, складывается и срастается, образуя закрытую нервную трубку. Затем эта трубка подразделяется на ограниченные по клональному составу везикулы, которые становятся передним, средним и задним мозгом (рис. 1а). Внутренняя стенка нервной трубки содержит нейроэпителиальные стволовые клетки (NECs), которые населяют пролиферативную вентрикулярную зону (VZ)¹⁶. Затем NECs превращаются в радиальные глиальные клетки (RGCs), которые производят постмитотические возбуждающие и тормозные нейроны, а затем и глию (рис. 1а,б). Нейрогенез у млекопитающих основывается на промежуточных клетках предшественниках (IPCs), являющихся непосредственными потомками RGCs, которые делятся в субвентрикулярной зоне (SVZ), для усиления производства нейронов^1,17 (рис. 1б). В развивающейся коре предшественники возбуждающих нейронов мигрируют в радиальном направлении вдоль радиального глиального каркаса из RGCs и заселяют кортикальную пластинку стереотипным образом "изнутри наружу", при этом поздние нейроны верхнего слоя мигрируют мимо ранних нейронов глубокого слоя.¹⁸ Тормозные интернейроны возникают в основном из предшественников в ганглиозном возвышении (eminence) и мигрируют тангенциально в кору головного мозга^19-22 (рис. 1а,б). Дифференцировка и созревание нейронов происходят одновременно с миграцией в перекрывающихся временных волнах для достижения радиальной диверсификации типов клеток и тангенциальной ареализации для распространения дорсальной части переднего мозга⁸. Приближаясь к своим региональным пунктам назначения, нейроны посылают аксоны и дендриты посредством высокоподвижных конусов роста, которые интегрируют сигналы окружающей среды²³. После создания нейронных сетей формируются дендритные отростки, обеспечивающие связь между нейронами через синапсы. Сборка синапсов и последующая дендритная и синаптическая обрезка очень пластичны и зависят от активности нейронов и их непрерывное совершенствование продолжается до молодого зрелого возраста^1,24,25 (рис. 1а). Среди не-нейрональных клеток астроциты и олигодендроциты образуются из RGCs после нейрогенеза и созревают в течение раннего постнатального периода, чтобы модулировать функции нейронов, такие как регуляция синаптической передачи и миелинизации аксонов нейронов^1,25,26 (рис. 1а,б). Микроглия, происходящая из гематопоэтической линии и эндотелиальных клеток, выстилающие кровеносные сосуды, мигрирует в нейроэктодерму, производную нервной системы для поддержания эмбрионального развития мозга²⁷.

Эволюционные генетические изменения привели к неотении у человека, причем с временной затяжкой процессов развития по сравнению с другими почти на всех этапах развития мозга^1,10, особенно при пролиферации предшественников и развитии нейронов^8,28 (рис. 1б). Например, NECs человека демонстрируют затяжную дифференцировку, в результате чего передний мозг расширился больше, чем у приматов²⁹. Опосредованный RGCs нейрогенез у человека происходит значительно медленнее (более 3 месяцев) и включает в себя иные генетические программы, чем у мышей (~1 неделя) и макак (1-2 месяца)^8,25,30,31, что, вероятно, и обусловливает непропорциональное увеличение переднего мозга человека. Длительная дифференцировка и созревание также наблюдаются у нейронов в коре головного мозга^25,32 и других областях мозга^21,33-35 человека, это приводит к увеличению объема нейронов с более развитыми нейритами и синапсами^24,30,36,37. Эти более длительные периоды могут способствовать увеличению размера, сложности и пластичности человеческого мозга, а также повышенной уязвимости к генетическим или экологическим факторам, которые могут нарушить нормальное развитие¹. Помимо различий в сроках развития, у человека существует множество особых клеточных особенностей. Внешний слой SVZ коры головного мозга - одна из отличительных особенностей у человека и видов с более крупной гирифицированной (складчатой) корой, который практически отсутствует у грызунов³⁸ , возникает из наружных радиальных глиальных клеток (oRGCs)³⁹ (рис. 1б). Эти oRGC обладают повышенной пролиферативной способностью и производят большую часть нейронов верхнего слоя коры, что совпадает с увеличением размера и площади коры приматов⁷. Существуют и другие типы клеток, уникальные для изборожденной коры млекопитающих.

Fig. 1 | Key processes of human brain development.

Миграция нейронов, опосредованная предшественниками, обеспечивает расширение мозга и Самоорганизацию архитектуры, которая может быть нарушена патогенными мутациями в ключевых цитоскелетных генах, регулирующих центросомы на переднем крае мигрирующих нейробластов, или микротрубочек, необходимых для somal транслокации¹². В результате аномальная миграция предшественников и расположения нейронов в значительной степени приводит к лиссэнцефалии, которая характеризуется гетеротопией подкорковых полос с широким диапазоном клинической тяжести кортикальных аномалий, тЯжелым нарушениям передне-задних градиентов, уменьшению образования извилин, толщины полос ( band) и увеличению желудочков¹²³ (рис. 5). Пациенты с классической лиссэнцефалией (тип I) демонстрируют более толстую, четырехслойную структуру коры с гетеротопической полосой (band), в то время как органоиды переднего мозга, полученные из клеток hPS и несущие ключевые причинные мутации, включая LIS1 (кодирующий регулятор моторного белка динеина), YWHAE (кодирующий белок, опосредующий сигнальную трансдукцию, выполняющий различные функции, такие как деление клеток и регуляция ^120,124,125 и TUBA1A¹²⁶, моделировали дефекты анатомической архитектуры и недостаточную миграцию новорожденных нейронов (табл. 1 и рис. 5). Мутации в сцепленном с Х-хромосомой гене DCX, который кодирует с микротрубочками ассоциированный белок, вызывают лиссэнцефалию у мужчин и ассоциируются с половыми различиями и дозовой зависимостью в тяжести заболевания , поскольку пациенты женского пола страдают от более легкой heterotopia субкортикальной полосы (band)^123,127,128.

Fig. 3 | Human-specific genetic modulation of brain development.



Многие мутации, вызывающие лиссэнцефалию, приводят к появлению признаков заболевания в различных областях мозга, помимо коры. Например, "тубулинопатии" и "актинопатии", вызванных мутациями в генах, кодирующих белки, участвующие в работе микротрубочек (например, TUBA1A)¹²⁶ и актина (например, ACTB, ACTG1 по данным в препринте)¹²⁹ , соответственно, приводят к нарушениям регуляции микротрубочек (например, TUBA1A)¹²⁹, соответственно, приводят к кортикальной лиссэнцефалии и широкому спектру пороков развития в мозжечке, гиппокампе и мозолистого тела, хотя невропатология была смоделирована только в органоидах коры головного мозга человека¹²³ (табл. 1 и рис. 5). Мутации, преимущественно направленные на миграцию и дифференцировку интернейронов, такие как ARX (который кодирует высоко-консервативный гомеобоксный транскрипционный фактор, участвующий в развитии головного мозга позвоночных), приводят к фенотипам агирии-лиссэнцефалии в паре с тяжелыми нейро-психиатрическими расстройствами, такими как эпилепсия или АСС¹²³. Мутации в RELN (кодирующем reelin, секретируемый гликопротеин внеклеточного матрикса, участвующий в миграции нейронов и клеточных взаимодействий) нарушают регуляцию миграции предшественников нейронов с помощью клеток Cajal–Retzius, вызывая pachygyria или лиссэнцефалию с гипоплазией мозжечка¹². Важность точного пространственного расположения нейронов для нормального развития мозга подчеркивается этими заболеваниями, клеточными фенотипами и многими другими, включая чрезмерную миграцию новорожденных кортикальных нейронов при cobblestone (тип II) лиссэнцефалии (например, вследствие мутаций в POMT, который кодирует гликозилтрансферазу)¹²³, аберрантную миграцию и выстраивание вдоль желудочков вновь возникших кортикальных нейронов при перивентрикулярной гетеротопии, которая часто сопровождается рецидивирующими судорогами (например, вследствие мутаций в генах, кодирующих кадхерин (DCHS1, FAT4) ¹³⁰ или актин-связывающего белка филамина А (^FLNA) 12), и также миграция интернейронов и дефицит синапсов при синдроме Timothy (например, вследствие мутаций в CACNA1C, который кодирует субъединицу кальциевого канала Cav1.2)^131,132 (табл. 1 и рис. 5). Примечательно, что многие мутации, вызывающие заболевания, которые оказывают явное влияние на пациентов, такие как DCX и FLNA, не проявляют соответствующих фенотипов у мышей¹². Недавняя разработка органоидных моделей мозга, в которых наблюдается четкая сегрегация отдельных слоев коры¹³³ и некоторых структурных извилин^125,133, обеспечивают перспективные человеческие модели для изучения влияния этих генов риска на диверсификацию и распределение нейронов и изучить лежащие в их основе механизмы. Предстоит разработать более совершенные органоидные платформы для выявления молекулярных и клеточных основ, которые приводят к ключевым цитоархитектурным особенностям, включая образование извилин (рис. 2).

Помимо аномальной миграции (которая определяет пространственное расположение), дисрегуляция процессов дифференцировки и созревания нейронов может также привести к заболеваниям, некоторые из которых были эффективно смоделированы с помощью органоидов, полученных из клеток hPS^8,14. Например, кортикальные органоиды, полученные из индуцированных PSCs (iPS клеток) пациента с фокальной кортикальной дисплазией, воспроизводили фенотипы дисморфных нейронов и повышенной возбудимости нейронной сети за счет снижения регуляции RHOA, гена сигнальной малой ГТФазы RHOA¹³⁴, что позволило выявить механизм возникновения очаговой дисплазии коры, не зависящий от регуляции mTOR пролиферации предшественников¹²¹. Нарушение сигнализации RHOA, вызванное снижением экспрессии CRLF3, было также связано с дефектами в дифференцировке нейронов, выживания и созревания нейронов в органоидах переднего мозга, полученных от пациентов с NF1^115,116 (табл. 1 и рис. 5). Более того, органоиды из iPS-клеток пациентов, моделирующие заболевания с менее тяжелыми структурными аномалиями, но более выраженными психиатрическими симптомами, были использованы для для выявления клеточных дефектов, вызванных мутациями, которые часто связаны с дифференцировкой нейронов. Например, ген OLIG2 был обнаружен в органоидах, полученных из iPS-клеток пациентов с синдромом Дауна и трисомией 21, который управляет выбором судьбы интернейронов, что приводит к избытку OLIG2+ предшественников и интернейронов¹³⁵ (табл. 1 и Рис. 5). Органоидная модель коры головного мозга при миотонической дистрофии 1-го типа, несущая в себе мутацию DMPK (которая кодирует миотонин-белковую киназу, взаимодействующую с малыми ГТФазами семейства RHO) приводит к потере глутаматергических нейронов, дисрегуляции глутаматной синаптической сигнализации и заметному увеличению количества глиальных клеток. Глутамат-индуцированная эксайтотоксичность проявляется через MECP2-связанные пути, а DMPK-мутированная органоидная модель от пациентов, фенокопирует дефицит MECP2¹³⁶ (табл. 1 и рис. 5). Анализ трех органоидных моделей коры головного мозга с изогенными мутациями SUV420H1, ARID1B и CHD8 - трех генов риска развития расстройства аутистического спектра (ASD), которые кодируют эпигенетические регуляторы, выявил общие фенотипы чрезмерной дифференцировки интернейронов и преждевременной дифференцировки нейронов глубокого слоя коры¹³⁷ (табл. 1 и рис. 4б). В целом, эти результаты подчеркивают важность точного контроля позиционирования нейронов в пространстве и времени для достижения сложной структурной организации человеческого мозга.

Нарушение сборки и соединения нейронных цепей с участием ключевых генов, регулирующих направление роста аксона и синаптическую функцию, в дополнение к цитоскелетной организации, может приводить к нарушениям в работе мозга человека^8,12,48 (рис. 5). Большинство функциональных исследований мутаций, вызывающих заболевания в семействах генов, направлющих рост аксонов, обнаруженных у людей, которые часто ассоциируются с эпилепсией и расстройствами аутистического спектра, были проведены на животных моделях¹³⁸. Например, мутации в нескольких семействах генов лиганд-рецепторов Slit-Robo у мышей нарушают пересечение средней линии аксонами между двумя полушариями и ассоциируются с такими расстройствами, как IPCs или дислексия у людей^138,139. Нейроны, экспрессирующие гонадотропин-рилизинг гормон мигрируют из носа через передний мозг в гипоталамус по аксонным путям нейронов, а мышиные модели показывают, что мутации в генах семафоринов, которые вызывают синдром Kallmann у людей (например, SEMA3A, семафорин-кодирующего гена, регулируемого CHD7) нарушают миграционные субстраты для этих нейронов¹³⁸. В недавнем препринте исследований с использованием органоидов, полученных от людей с ACC, показано, что ARID1B-гаплонедостаточность вызывает аномалии в проекции мозолистого тела, в созревании каллозальных проекционных нейронов, в формировании дальних проекций и транскрипции при развития мозолистого тела¹⁴⁰ (рис. 5). Этот результат свидетельствует о том, что быстрое создание органоидов из клеток hPS, моделирующих различные области мозга и более поздние стадии развития позволяет изучать развитие проекции нейронов у человека (рис. 2).

Генетические сбои в формировании синапсов и пластичности являются основными факторами, способствующими патогенезу нейрвных и нервно-психических расстройств, включая аутизм, эпилепсию, интеллектуальную недостаточность (ID) и шизофрению^50,141. Помимо надежного моделирования расстройств со структурными дефектами, вызванными нарушениями пролиферации предшественников, миграции нейронов или дифференцировки, органоидные системы, такие как ассемблерные, быстро развиваются и становятся платформами для изучения патогенеза и механизмов, лежащих в основе менее анатомически выраженных, но более сложных психических расстройств, связанных с нарушениями circuitry аномалий^14,15,142 (рис. 2). В последние годы было показано, что многие из наиболее распространенных одногенных мутаций, вызывающих расстройства аутистического спектра или ID, достаточны для того, чтобы вызвать клеточный дефицит и повторить соответствующие "синаптопатии" в органоидах, полученных от пациентов: примеры включают мутацию CACNA1C при синдроме Timothy^131,132, DGCR8 (которая кодирует микроРНК-регулятор для сигнализации кальция) при синдроме DiGeorge¹⁴³, FMR1 (которая кодирует белок умственной отсталости при синдроме хрупкой Х, обогащенный в головном мозге РНК-связывающий белок, необходимый для развития мозга)^144,145, MECP2 (которая кодирует многофункциональный эпигенетический регулятор) при синдроме Rett^146-148, SHANK3 (которая кодирует белок, формирующий синапсы) при синдроме Phelan–McDermid¹⁴⁹, UBE3A (которая кодирует E3 убиквитин-лигазу для вольтаж-зависимого большого калиевого канала) при

Fig. 4 | Genetic basis of human brain development uncovered using hPS cell models by studying traits led by evolution, diseases and environmental exposure.

синдромe Angelman¹⁵⁰, DISC1 (которая кодирует многофункциональный белок, Disrupted при шизофрении 1, участвующий в клеточной пролиферации, дифференциации, росте нейритов, клеточной адгезии и формировании синапсов^133,151,152 и FGFR1 (которая кодирует рецепторную тирозинкиназу для фактора роста FGF для регуляции клеточной сигнализации)¹⁵³ при шизофрении, и WWOX (которая кодирует фермент оксидоредуктазу) при эпилептической энцефалопатии¹⁵⁴ (табл. 1 и рис. 5). Кроме того, мутации, вызывающие глия-ассоциированную патологию, могут приводить к задержке развития и другим признакам заболеваний из-за критической роли глии в модуляции синапсов¹⁵⁵. Например, органоиды, полученные от пациентов с болезнью Pelizaeus–Merzbacher редким Х-сцепленным заболеванием, вызванным мутацией гена PLP1, (который кодирует белок миелина) и ассоциируется с задержкой развития двигательных навыков и гипотонией в раннем детстве, повторяют клеточные фенотипы дефектов миелинизации у пациентов¹⁵⁶ (табл. 1 и рис. 5). Помимо молекулярных, клеточных и анатомических фенотипов, изменения в активности нейронов являются еще одним показателем, определяющим патофизиологию сборки и функционирования circuit¹⁵⁷. Появляющиеся исследования демонстрируют роль и механизмы действия генов риска в регуляции формирования синапсов, в функции и пластичности на нейронах человека, например ^FMR1 при синдроме хрупкости X ¹⁴⁴, и мы ожидаем, что в будущем мы узнаем еще больше, особенно при сравнении человеческих и мышиных моделей.

Процессы развития человеческого мозга могут формироваться как негативно, так и позитивно путем генетические изменений, вызванных факторами окружающей среды. Биологические или химические воздействия, такие как вирусные инфекции, химические агенты или радиация¹⁵⁸ , могут либо непосредственно вызывать генетические повреждения, либо нарушать молекулярные каскады на одном или нескольких этапах развития мозга, включая генерацию предшественников, миграцию, позиционирование или установление связей между нейронами. Пораженные гены были идентифицированы у животных¹⁵⁹ или моделей на основе клеток hPS¹⁶⁰. Ярким примером является врожденная микроцефалия, вызванная вирусом Зика. Первоначальные исследования показали снижение пролиферации предшественников нейронов и преждевременной дифференцировки при вирусной инфекции органоидов человеческого мозга^161-163 или мышей^164,165. Механистические исследования связали взаимодействие вирусных белков с ключевыми молекулами в нейрогенезе (такими как TLR3 (ссылка 166) и ANKLE2 (ссылки 167,168)) и в цитоскелетных процессах (таких как слипчивые соединения¹⁶⁹ и гены центросом (170,171) (табл. 1 и рис. 4c,5). Кроме того, воздействие физиологических факторов (таких как питание или микробиом) или зависящих от активности механизмов (таких как обогащенная среда или опыт) влияет на генетические элементы, регулирующие не только формирование паттерна и цитоархитектуру мозга, но и нейротрофические факторы и нейротрансмиттерные системы, которые изменяются при многих нейрального развития и нейро-психиатрических расстройствах, включая ID, аутизм и шизофрению¹⁷². Например, витамин А является необходимым дополнением во время формирования нервной трубки¹⁰³. Его производное - ретиноевая кислота - эволюционно дифференцированно регулируемая сигнальная молекула, которая образует передне-задний, префронтальный градиент обогащения коры в развивающемся мозге - играет критическую роль в формировании префронтальной коры и связи между корой и таламусом, так как утрата функции генов его рецепторов (RXRG, RARB) или CYP26B1-зависимого катаболизма в мышиных моделях показала дефицит катаболизма в мышиных моделях¹⁷³. Многие изменения, вызванные воздействием окружающей среды, влияют на развитие нейронов и circuits через эпигенетические механизмы регуляции^1,50. Примечательно, что тяжесть как структурных изменений (например, в результате заражения вирусом Зика)¹⁷⁴ , так и сложных нервных и нейро-психиатрических расстройств (таких как аутизм и шизофрения)¹⁷⁵ , в значительной степени зависит от генетического фона пациента, который может быть смоделирован с помощью клеток hPS¹⁷⁶.

Последние достижения в изучении нарушений нервного развития и нервно-психических расстройств выявили новые принципы генетической множественности, дифференциальной регуляции, взаимодействия между генами и взаимодействия не-кодирующих геномных регионов с генами, ассоциированными с заболеванием¹¹. Интеграция такой информации открывает новые перспективы и в то же время ставит проблемы в исследовании разнообразной генетической архитектуры человеческого мозга, цитоскелетных процессов (таких как адгерентные соединения¹⁶⁹ и центросом^170,171) (табл. 1 и рис. 4c,5). Кроме того, воздействие физиологических факторов (таких как питание или микробиом) или зависящих от активности механизмов (таких как обогащенная среда или опыт) влияет на генетические элементы, регулирующие не только формирование паттерна и цитоархитектуру мозга, но и нейротрофические факторы и системы нейротрансмиттеров, которые изменяются при многих нервных и нейропсихиатрических расстройствах, включая ID, аутизм и шизофрению¹⁷². Например, витамин А является необходимым дополнением во время формирования нервной трубки¹⁰³. Его производное - ретиноевая кислота - эволюционно дифференцированно регулируемая сигнальная молекула, которая имеет передне-задний, префронтальный градиент обогащения коры в развивающемся мозге - играет критическую роль в формировании префронтальной коры и связи между корой и таламусом, так как потеря её функции и утрата функции генов его рецепторов (^{RXRG, RARB}) или CYP26B1-зависимого катаболизма в мышиных моделях показала её дефицит¹⁷³. Многие изменения, вызванные воздействием окружающей среды, влияют на развитие нейронов и их цепей через эпигенетические механизмы регуляции^1,50. Примечательно, что тяжесть как структурных изменений (например, в результате заражения вирусом Зика)¹⁷⁴ , так и сложных нервных и нейро-психиатрических расстройств (таких как аутизм и шизофрения)¹⁷⁵ , в значительной степени зависит от генетического фона пациента, который может быть смоделирован с помощью клеток hPS¹⁷⁶.

Последние достижения в изучении нервно-развивающих и нервно-психических расстройств выявили новые принципы генетической множественности, дифференциальной регуляции, взаимодействия между генами и взаимодействия не-кодирующих геномных регионов с генами, ассоциированными с заболеванием¹¹. Интеграция такой информации открывает новые перспективы и в то же время ставит проблемы в исследовании разнообразной генетической архитектуры человеческого мозга в условиях сложной взаимосвязи генотипа и фенотипа и перекрывающихся этиологий.

Генетическая множественность - как плейотропия генов риска, так и полигенность заболеваний - была выявлена благодаря расширению масштабов мультиатомного секвенирования нового поколения и одноклеточного секвенирования и GWAS анализов при ASD¹⁴¹, шизофрении^177,178 и других сложных нервных и нервно-психических расстройств. Эти усилия не только позволяют выявить растущий список генов и вариантов риска с высокой статистической достоверностью, начиная от распространенных вариантов с малым эффектом и заканчивая редкими, но пагубными, но и выявили их высоко полигенную природу с помощью полигенного изучения риска и анализа взаимодействия и конвергенции вариантов^11,12,101. Более того, недавние исследования с более высокой производительностью и чувствительностью начали определять, насколько вездесущими являются вызывающие заболевания или ассоциированные с заболеваниями варианты генов влияют на мозг в зависимости от региона, стадии развития и типа клеток. Например, мутации, вызывающие пери-вентрикулярную гетеротопию (такие как FLNA12 и PRPF6 (ссылка 179)) нарушают пролиферацию RGCs и пролиферацию RGCs и дифференцировку нейронов посредством механизмов, специфичных для конкретного типа клеток. Новые роли нескольких синаптических генов, включая SCN2A и CACNA1C ионных каналов, SHANK3 и SYNGAP1, участвующие в синаптической модуляции, были выявлены в незрелых нейронах; эти роли отличаются от их известных функций в зрелых нейронах и обусловлены дифференциальной пространственно-временной регуляцией¹⁸⁰. Нарушение функции FMR1 в органоидной модели с синдромом хрупкой Х в органоидной модели, полученной от пациента, показало нарушения на нескольких этапов развития, включая нейрогенез, созревание нейронов и формирование синапсов¹⁴⁵ (табл. 1 и рис. 5). Эти находки подчеркивают уровень сложности между признаками заболевания, его причинными вариантами и затронутыми процессами развития¹². Заболевания с анатомическими фенотипами могут включать генетические взаимодействия. Например, генетические взаимодействия во время закрытия нервной трубки

Fig. 5 | Genetic basis of human brain development revealed by brain disorders.

как было показано, необходимы у мышей, гетерозиготных по мутациям как в DVL1 и DVL2 генах, а также у мышей и людей, гетерозиготных по мутациям в DVL и VANGL2; эти комбинированные дигетерозиготные особи демонстрируют функциональную избыточность и аддитивные эффекты, которые напоминают эффекты, сходные с эффектами каждой гомозиготы¹⁰³. Синергическое воздействие общих гетерозиготных вариантов с индивидуально малыми эффектами лучше представлено при полигенных расстройствах с нейрального развития проявлениями, таких как ASD^{11,137,141,181}. Взаимодействие с не-кодирующими областями генома, влияющими на экспрессию генов через энхансеры или другие взаимодействия в признаках заболеваний человека. Развитие инструментов молекулярной детекции генов одиночных клеток может выявить специфические для типа клеток и стадии развития последствия. Например, длинные не-кодирующие РНК, такие как DLX6-AS1, LINC00643 и LINC01¹⁶⁶, которые дисрегулируются при многочисленных нейроразвивающих и нейропсихиатрических расстройствах¹⁸², модулируют спецификацию интернейронов. Развитие технологий редактирования генома позволяет систематически исследовать эпистаз генетических взаимодействий на определенных этапах развития мозга с использованием моделей клеток hPS. Например, CRISPR-редактирование одного предполагаемого (FURIN rs4702) и четырех высокоранговых (FURIN, SNAP91, TSNARE1 и CLCN3) распространенных вариантов риска шизофрении в изогенных линиях iPS-клеток продемонстрировало их причинное и синергетическое влияние на модуляцию синапсов¹⁷⁷. В целом, специфические для процесса развития генетические вариации, их плейотропия и регуляция, а также генетические взаимодействия друг с другом и окружающей средой требуют технологического прогресса для понимания сложной генетической архитектуры развития человеческого мозга.

Огромный прогресс был достигнут с помощью инструментов из различных технологических областей для изучения точного генетического контроля развития человеческого мозга с целью продвижения терапевтических разработок (рис. 6а). Исследования фенотипов пациентов, такие как генетические исследования и функциональная визуализация^183-186, изучают невропатологические признаки в процессе развития и выявляют генетические варианты, вызывающие заболевания. Полногеномные исследования в масштабе целого генома позволяют выявить гены риска, связанные с заболеванием, что имеет решающее значение для изучения генов с большим эффектом, достоверно связанных с конкретными процессами развития или сложными расстройствами, такими как аутизм. В частности, omics одиночных клеток^{13,122,187-191} и анализ^192-195 на геномном, транскриптомном и эпигеномном уровнях широко применяются для составления целостной карты,

Fig. 6 | Current and future approaches for studying the genetics of human brain development.

с высоким разрешением генетической архитектуры в зависимости от типа клеток (рис. 6а). С другой стороны, механистическое исследование причинно-следственной связи генетических вариантов и их предполагаемых функций, а также тестирование лекарственных реакций во время развития мозга стало возможным благодаря различным моделям животных и развитию систем 2D- и 3D-моделей, полученных из клеток hPS, а также быстрые итерации инструментов генетических манипуляций^14,142. Хотя модели, созданные на основе клеток hPS, обладают уникальным преимуществом, позволяющим моделировать молекулярные и клеточные особенности, характерные для человека, животные модели (в частности, грызунов и приматов) с человеческими мутациями остаются основным подходом к изучению многих функций более высокого уровня, таких как познание и поведение^50,52 (рис. 6а). Интеграция технологий в каждой области позволяет объединить генетику человека и нейронауку развития, систематически устанавливая связи между генотипом и фенотипом, что позволяет понять, как развивается человеческий мозг, а это, в свою очередь, открывает путь к разработке стратегий диагностики и лечения заболеваний (рис. 6а).

Мощь комбинаторных подходов предоставит огромные возможности для лучшего понимания генетики развития человеческого мозга и разработки терапевтических стратегий для лечения расстройств мозга (рис. 6а). Ярким примером является наше междисциплинарное исследование гена DISC1, который изначально был идентифицирован как сверхредкий ген риска основных психических расстройств в большой шотландской семье¹⁹⁶ , а затем в меньшей американской семье (Pedigree H)¹⁹⁷ (рис. 6b). Начиная с моделей грызунов, было показано, что потеря функции DISC1 во взрослых нейронах dentate granule приводит к нарушениям морфологии нейронов, миграции, дендритного роста и формирования синапсов^198-200, а также к поведенческим аномалиям²⁰¹. Получение линий iPS-клеток от нескольких членов родословной H²⁰² и создание изогенных спасательных и мутантных линий iPS-клеток с помощью редактирования генома, а также направленной дифференцировки 2D нейронов коры головного мозга, установили случайную роль мутации DISC1 в дисрегуляции формирования синапсов и экспрессии генов²⁰³. Анализ трехмерных органоидов мозга также выявил нарушения в созревании нейронов коры и сегрегации слоев, а также лежащий в их основе молекулярный механизм¹³³. Кроме того, молекулярный и атомно-структурный анализ DISC1 выявили его молекулярных партнеров по связыванию и сигнальные пути, и было показано, что некоторые из этих взаимодействий влияют на развитие нейронов у мышей и в 2D и 3D моделях, полученных из клеток hPS^{151,201,204-210}, и проявляют эпистаз в повышении генетического риска развития шизофрении в многочисленных когортах^208,209, а также влияют на функцию и связь гиппокампа на основе анализа функциональной магнитно-резонансной томографии у людей²¹¹. Механический молекулярный анализ нейронов 2D, полученных из iPS-клеток, позволил выявить мишени, поддающиеся лечению, что привело к фармакологическому спасению от синаптического дефицита в мутантных нейронах человека. Наконец, гуманизированная модель мыши с той же мутацией, что и в родословной H, выявила, что синаптический и поведенческий дефицит может быть устранен у взрослых мышей с помощью того же фармакологического подхода, что и в 2D нейронах человека²¹². Вместе взятые, эти исследования иллюстрируют эффективную схему, начинающуюся с человеческих моделей, основанных на мутациях пациентов, и изогенных линий iPS для установления причинной роли в конкретных фенотипах нейронного развития, затем следуют механистические исследования для выявления лекарственных мишеней и тестирование лекарств, и, наконец, тестирование эффективности на функциональном и поведенческих уровнях в гуманизированной мышиной модели с той же самой мутацией пациента (рис. 6б).

Исследования с использованием моделей клеток hPS все еще находятся на ранних стадиях, и многие проблем еще предстоит решить²¹³. В отличие от инбредных мышей, которые имеют практически идентичный генетический фон, люди обладают высокой степенью генетического разнообразия. Поэтому очень важно изучать эффекты конкретных генетических вариантов в контексте различных генетических фонов, чтобы полностью понять их влияние на различные человеческие популяции, особенно на группы меньшинств^97,98. Кроме того, существенная вариабельность существует среди моделей клеток hPS, что подчеркивает необходимость улучшения воспроизводимости. Клеточные линии iPS отличаются высокой вариабельностью, поскольку они создаются с использованием различных методов и от разных пациентов, и поэтому может потребоваться адаптировать протоколы дифференцировки для каждой отдельной линии¹⁴². Органоидные модели также нуждаются в дальнейшей оптимизации для использования более широкого разнообразия типов клеток, которые бы лучше имитировали гетерогенность типов клеток, встречающихся в естественных условиях. Например, микроглия^214,215 и эндотелиальные клетки²¹⁶, которые происходят из других линий, чем нейрональные клетки, могут быть включены в органоиды с помощью методов совместной культуры. Хотя современные органоидные модели совершенствуются в своей способности моделировать ранние стадии развития мозга, такие как нейрогенез, необходимо приложить еще больше усилий для оптимизации этих моделей, чтобы лучше понять цитоархитектуру и схемы человеческого мозга, включая отдельные слои коры и функциональные колонки. Такие усилия позволят заложить прочный клеточный фундамент для моделирования более поздних стадий развития человеческого мозга. Между тем, ксено-трансплантация человеческих клеток и органоидов в организм животных предоставляет еще одну возможность изучать специфические для человека типы клеток или клеточные взаимодействия (например, исследовать circuits и поведение животных-хозяев) в условиях in vivo^215,217,218. Необходимо также приложить больше усилий для разработки воспроизводимых протоколов для создания более широкого разнообразия типов клеток мозга и органоидов, специфичных для конкретного региона мозга, чтобы расширить спектр областей мозга, которые можно моделировать¹⁴². Хотя большинство современных исследований сосредоточено на моделировании одной области мозга, ассемблерный подход позволяет изучать взаимодействие между различными областями мозга, хотя и с искусственными границами. Разработка методов моделирования органоидов мозга, охватывающих несколько областей мозга²¹⁹ открывает перспективы для изучения направленной на большие расстояния миграции нейронов, аксональных проекций и распространения активности в цепи. Наконец, необходимы высоко производительные подходы, позволяющие получать большое количество органоидов с неизменными свойствами, чтобы можно было проводить целевые или геномные скрининги на основе CRISPR или редактирование праймеров для функционального исследования конкретных генов или однонуклеотидных вариантов на определенных этапах развития, а также для тестирования лекарств и стратегий лечения на органоидах с высокой пропускной способностью. Важно отметить, что по мере совершенствования органоидных моделей и их ксено-трансплантации в животные модели (потенциально крупные животные), крайне важно учитывать этические последствия всех этих разработок^217,218. В целом, несмотря на ранние стадии, перспективные подходы к использованию клеток hPS будут широко применяться и продвигаться для более системного и масштабного скрининга и тестирования специфичных для человека вариантов, например, с массовым использованием параллельных репортерных анализов¹⁰, или даже тестирование каждого варианта риска из GWAS для установления причинно-следственных связей между генотипами и их клеточными и молекулярными последствиями. В соответствии с целью сокращения использования животных в исследованиях, это поможет нам продвинуться к целостному пониманию генетики развития человеческого мозга и подготовить почву для клинического применения знаний.

Помимо этих разработок в области клеточных моделей, потребуются и другие технические достижения. Для более полного понимания генетики, лежащей в основе развития мозга, потребуются другие технические достижения (рис. 6а). Большое значение будет иметь улучшение фенотипирования человеческих признаков. Улучшенное получение человеческих тканей мозга в рамках глобального сотрудничества^{55,189,191,220-224}, это позволит получить большее количество и более широкое разнообразие человеческих популяций, что позволит уменьшить предвзятость генетических исследований^97,98 и сделать полигенные оценки различных заболеваний, многие из которых в настоящее время основаны на популяциях с европейским происхождением, более применимыми к более широкому кругу этнических групп²²⁵. Увеличение масштабов, глубины и доступности омических анализов позволит обнаружить ранее не оцененные варианты и их роли, а также выявить уровни сложности человеческих признаков благодаря интегративному анализу различных модальностей данных^12,101. Более совершенные гистологические, патологические, функциональные и радиологические методы визуализации и инструменты анализа с использованием искусственного интеллекта, которые достигают более высокой точности, разрешения, глубины и пропускной способности и предлагающие больше модальностей²²⁶ (рис. 6а). Также потребуются более совершенные генетические исследования причинности человеческих признаков потребуются более качественные исследования генетической причинности человеческих признаков. С появлением систем моделирования и увеличением числа уверенно идентифицированных кандидатов в гены, специфичные для человека или связанные с риском заболевания генов-кандидатов, эта область готова к более масштабному функциональному тестированию. Инструменты для фундаментальных исследований будут продолжать расширяться, например, редактирование генов, инструменты, обеспечивающие широкий охват генома, большая эффективность и меньшее количество вне-целевых эффектов^227,228, а также инструменты, позволяющие отслеживать и реконструировать линии клеток мозга¹⁸⁸ (например, инструменты отслеживания линий на основе вирусов и использование мутаций соматической ДНК в качестве естественной ретроспективной системы штрихового кодирования)¹²² (рис. 6а).

Наконец, необходимы более совершенные стратегии для разработки методов лечения нервных и нервно-психических расстройств. Глубокое понимание генетики позволяет выявить новые биомаркеры для диагностики и новые мишеней для терапии. Хотя искусственные вычислительные подходы, основанные на искусственном интеллекте, значительно ускорят открытие лекарств²²⁹, использование моделей клеток hPS должно быть расширено до промышленного уровня, чтобы можно было оценивать безопасность и эффективность лекарств как на популяционном, так и на индивидуальном уровнях. Кроме того, генетические открытия позволят ускорить разработку новых и точных методов лечения. Методы, такие как генная терапия с более безопасной и эффективной доставкой²³⁰, вместе взятые, эти будущие разработки обещают рационализировать открытия от характеристики и моделирования человеческих признаков до открытия новых генов и лекарств (рис. 6а).

Наше понимание генетических основ развития человеческого мозга в значительной степени основывается на межвидовых сравнительных исследованиях, которые выявляют клеточные и молекулярные особенности, способствующих возникновению специфических для человека фенотипов, и открытий генетических вариантов и взаимодействий у пациентов с нарушениями развития мозга. Классические парадигмы обычно начинаются с определения фенотипических признаков эволюционно уникальных особенностей человека или заболеваний мозга. Затем следуют передовые молекулярно-генетические подходы, такие как секвенирование следующего поколения, для выявления ассоциированных генетических вариантов, предположительно являющихся генетической причиной. Затем применяется обратная генетика, которая с помощью генных манипуляций на животных моделях позволяет установить причинно-следственную связь между генотипами и фенотипами и последующие исследования филогенетики или патогенеза. Растущая доступность человеческих тканей и быстрое развитие модельных систем на основе клеток hPS, наряду с достижениями в области редактирования генов, анализа секвенирования и функциональных анализов, расширили наши возможности в решении этих проблем. Теперь мы можем применять одну и ту же технологию к множеству модельным системам человека и животных для прямой идентификации и изучения генов с беспрецедентным разрешением и масштабом для установления причинно-следственной связи между генотипом и фенотипом. Поскольку в ходе исследований с помощью секвенирования выявляется все больше генов и их вариантов, по-прежнему остается как целью, так и проблемой проведение функционального тестирования анатомических структур и нейронных схем на более поздних стадиях развития человека, для которых все еще отсутствуют надежные модели на основе клеток hPS. Важно отметить, что сочетание этих благоприятных технологий может в скором времени привести к изменению парадигмы в изучении генетики развития человеческого мозга, особенно в отношении уникальных для человека особенностей, мутаций в не-кодирующих регуляторных областях, взаимодействий между генами и механизмов, лежащих в основе сложных полигенных заболеваний. Продвижение наших знаний о генетике развития человеческого мозга с помощью интегрированных моделей и молекулярных инструментов обнаружения может вскоре существенно изменить нашу диагностическую архитектуру и ускорить разработку терапии для лечения заболеваний мозга.

К сожалению, не удалось представить рисунки и таблицы. Все это можно посмотреть в оригинале статьи https://www.med.upenn.edu/minglab/assets/user-content/documents/naturereviewsgenetics-zhou-2023.pdf