Посещений:
Размеры Головного Мозга

Генетический Контроль

Cytoskeletal genes regulating brain size
Jacquelyn Bond and C Geoffrey Woods
Current Opinion in Cell Biology Volume 18, Issue 1 , February 2006, Pages 95-101

One of the most notable trends in human evolution is the dramatic increase in brain size that has occurred in the great ape clade, culminating in humans. Of particular interest is the vast expanse of the cerebral cortex, which is believed to have resulted in our ability to perform higher cognitive functions. Recent investigations of congenital microcephaly in humans have resulted in the identification of several genes that non-redundantly and specifically influence mammalian brain size. These genes appear to affect neural progenitor cell number through microtubular organisation at the centrosome.


Рис.1. A comparison of magnetic resonance images from an individual with an MCPH5 mutation and an unaffected individual of a similar age. (a) Sagittal T1-weighted image from an unaffected 11-year-old female control. (b) Sagittal T1-weighted image from a 13-year-old female with an MCPH5 mutation showing striking reduction in the size of the cerebral cortex, prominent sloping of the forehead and preserved midline structures. Scale bar = 2 cm. Figure reproduced from an original figure (Figure 1 from [8]) with consent from Nature Publishing Group and CA Walsh.


Рис.2. Spindle pole localisation of ASPM, CDK5RAP2 and CENPJ during metaphase. (a) Confocal microscopy analysis of fixed HeLa cells showing centrosomal localisation of human ASPM (green), rat monoclonal ?-tubulin antibody (red), and DNA (blue) during metaphase. (b) Confocal microscopy analysis of fixed HeLa cells showing centrosomal localisation of human CDK5RAP2 (green), rat monoclonal ?-tubulin antibody (red) and DNA (blue) during metaphase [9•]. (c) Confocal microscopy analysis of fixed HeLa cell confirming centrosomal localisation of human CENPJ (green), ?-tubulin antibody (red) and DNA (blue) during metaphase [9•]. CENPJ and CDK5RAP2 localisation are reproduced from an original figure (Figure 2 from [9•]) with consent from Nature Publishing Group.

Кора головного мозга это тонкий слоистый листок нейронов на поверхности мозга. Во время эволюции Homo sapiens поверхностная область коры головного мозга увеличилась на три порядка величин по сравнению размерами тела. Чтобы поддерживать такое важное изменение в черепе , головной мозг человека приобрел извилистый (gyrencephalic) вид. Диспропорциональное увеличение размера коры головного мозга человека, как полагают, лежит в основе роста интеллектуальной способности людей и их способности выполнять сложные познавательные функции, такие как речь [1].
Образование коры головного мозга является сложной тесно регулируемой последовательностью пролиферации, миграции и дифференцировки нейронов. Нейроны происходят из клеток предшественников нейронов, располагающихся в нейроэпителии ventricular zone (VZ), области, окружающей желудочки развивающегося головного мозга [2]. До нейрогенеза клеточный пул нейральных предшественников увеличивается за счет множественных раундов симметричных (пролиферативных) делений, происходящих, когда митотическое веретено горизонтально к поверхности вентрикулярного нейроэпителия, и дающих две дочерние клетки предшественницы. Большинство нейронов продуцируется за счет асимметричных (нейрогенных) делений, когда митотическое веретено ротирует до тех пор, пока не станет вертикально к нейроэпителию. Деления в этой плоскости дают две дочерние клетки с разными онтогенетическими судьбами, одна клетка нейральная предшественница и один нейрон [3,4]. Меньшая часто нейронов продуцируется с помощью терминальных симметричных делений промежуточных клеток, продуцирующих два нейрона. Постмитотические нейроны следуют по специфическим путям миграции в своем движении к кортексу вдоль радиальной глии [5]. Достигнув кортекса они д. двигаться мимо более ранних нейронов, чтобы сформировать самый дальний от центра нейрональный слой до тех пор, пока наконец, не будет сформирован шестислойный пластинчатый неокортекс.
Центросомы играют большую роль в регуляции клеточных делений, функционируя в качестве microtubule organising centre (MTOC). Одним из наиболее драматических внутриклеточных изменений, происходящих в митозах, является потеря интерфазных наборов астральных микротрубочек, отходящих радиально от центросом к клеточному кортексу, и сборка биполярного митотического веретена. Во время этого процесса центросомы сливаются, чтобы вызывать (nucleate) полимеризацию микротрубочек из свободных тубулиновых субъединиц и чтобы организовать наборы микротрубочек (rev.[6]).
При изучении регуляции размера коры головного мозга часто оказывается полезным исследование Менделирующих нарушений, которые непосредственно влияют на размеры головного мозга. Первыми генами кандидатами являются те, что участвуют в нарушениях нейрогенеза, таких как первичная микроцефалия (где небольшие размеры головного мозга присутствуют при рождении), в которых генные мутации были продемонстрированы по их способности менять размеры мозга. В этом обзоре профили 4-х генов - Microcephalin (MCPH1) [7], ASPM (abnormal spindle-like microcephaly-associated [Drosophila]) [8], CDK5RAP2 (cyclin-dependent kinase 5 regulatory-associated protein 2) и CENPJ (centromere associated protein J) [9] (see Box 1 for electronic database information) - которые были недавно идентифицированы, мутации в которых вызывают патологическое уменьшение размеров головного мозга у людей, при этом наиболее существенно уменьшался размер коры головного мозга.

MCPH, a disorder of neurogenic mitosis affecting foetal brain growth


Аутосомно рецессивная primary microcephaly (MCPH [MIM 251200]) является редким врожденным заболевание редукции роста коры головного мозга и поддерживающих структур (Figure 1). Заболевание выявляется по уменьшению окружности головы (-4 до -11 стандартных отклонений, скорректированных для возраста и пола)(rev. [10]) и по ассоциации с умственной задержкой, при этом не отмечаются др. нейрологические нарушения и нарушения роста [11]. Хотя MCPH головной мозг мал, он обладает нормальными 6 слоями нейрональной архитектуры, указывая тем самым, что MCPH результат уменьшения количества клеток нейральных предшественников [8,12] (Box 1).

Box 1. Electronic database information.

MCPH [MIM 251200]
ASPM [MIM 650481]
CDK5RAP2 [MIM 608201]
CENPJ [609279]
Microcephalin [607117]

From Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/

Генетическая сложность кортикального нейрогенеза отражается в генетической гетерогенности MCPH, которая ассоциирует, по крайней мере, с 6 рецессивными локусами, вызывающими неотличимые нарушения (rev. [13]). Autozygosity картирование крупных единокровных семей и стратегия позиционного клонирования недавно привели к идентификации генов 4-х MCPH локусов; Microcephalin (MCPH1, [7]), ASPM (MCPH5, [8]) CDK5RAP2 и CENPJ в MCPH3 и MPCH6 локусах, соотв. [9] (Table 1). Все ассоциированные с MCPH мутации являются nonsense мутациями, что приводит к преждевременному укорочению белка за исключением одной missense мутации в CENPJ, которая может нарушать сродство связывания Tcp10 домена для non-erythrocyte 4.1R белка 135 сплайс-варианта [9]. Каждый из 4-х генов экспрессируется в вентрикулярной зоне головного мозга эмбрионов [7-9] во время периода нейрогенеза, указывая тем самым, что MCPH фенотип имеет источником клетки нейральных предшественников.

Таблица 1 Summary of MCPH gene characteristics and possible functions discussed in this review
Gene Intracellular mitotic localisation Domains Predicted role of protein References
ASPM Surface of spindle poles MT association MT and central spindle organisation [8,13-15,17,19,33]


Calponin homology domain during mitosis


IQ motifs


CDK5AP2 Spindle poles N-terminal α-tubulin association Enhance centrosomal MT production [9,37-42]



Negative control of CDK5

CENJP Spindle poles Tcp 10 domain Regulation of MT nucleation [9,44-50]



MT depolymerisation

MCPH1 Unpublished BRCT domains DNA damage response [7,52-57]



Cell cycle control



Telomerase regulation


MCPH and mitosis


ASPM, a microtubule-associated protein


ASPM [MIM 605481] является человеческим гомологом Drosophila белка Asp. Гомологи ASPM идентифицированы у многих видов; однако, ASPM по-видимому, не связан с каким-либо семейством генов у человека. Видовая гомология и биоинформационный анализ показывают, что он является в 3477-aa ассоциированным с микротрубочками белком, содержащим N-терминальный связывающий микротрубочки домен [14], два calponin homology домена [15], обычно участвующих в связывании актина [16], и до 81 IQ (isoleucine glutamine) повторяющихся мотивов, которые по-видимому, связываются с calmodulin [8,15], а C-терминальная область выплняет пока неизвестную функцию [17]. Всё это указывает на то, что ASPM может соединяться с клеточным цитоскелетом и посредством связывания calmodulin может собираться в полу-ригидные палочки.
Гомозиготные nonsense мутации в гене ASPM человека являются наиболее частой причиной MCPH в популяциях Сев. Пакистана с незначительными вариациями в тяжести фенотипа [8,17,18]. Кстати, по крайней мере, 26 мутаций идентифицировано по всему гену ASPM [8,17-21], которые, как предполагают, вызывают преждевременное укорочение. C-терминальная в 150-aa область общая у всех делеций; эта область с неизвестной функцией [17]. Эволюционные исследования ASPM определили, что ген испытывает позитивные селективные изменения; это указывает, что ASPM может быть важным генетическим компонентом, участвующим в эволюционном увеличении головного мозга у людей [22-25].
Роль ASPM в нейрогенезе у людей подтверждается преимущественной экспрессией в нейроэпителии латеральных желудочков во время нейрогенного цикла (J Bond, CG Woods and S Lindsay, unpublished). Роль ASPM и Asp во время клеточных делений исследуется у людей и мух. Во время митозов оба локализуются на обращенных в определенную сторону полюсах веретена (Figure 2a) [14,15,26]. Эта локализация dynein-dynactin зависима [27]. В то время как мутации в ASPM у людей приводят к митотическому фенотипу, специфичному для головного мозга, рецессивные мутации Drosophila asp вызывают личиночную гибель и бесплодие. В мутантном личиночном головном мозге делящиеся предшественники нейронов не способны завершать асимметричные клеточные деления и арестовываются в метафазе [28]. Аномальные веретена Asp мутантов имеют дизорганизованные широкие полюса, обнаруживающие аномальное распределение γ-tubulin [29]. Asp активируется с помощью Polo Kinase [30]. Роль Asp была выявлена в мейозе и митозе [30,31], в организации и соединении вместе микротрубочек на полюсах веретена [27,29] и в образовании центрального митотического веретена, чьи пертурбации ведут к разрушению machinery контрактильного кольца и к неспособности цитокинеза [32,33]. Функция ASPM митотического веретена может регулироваться с помощью BRCA1 [26]. Исходя из функции Asp, обязательными нейрогенными функциями ASPM являются организация микротрубочек на полюсах веретена во время митозов и организация центрального веретена во время цитокинеза.
Экспрессия ASPM обнаружена в нескольких эмбриональных и взрослых тканях человека, она усиливается в раковых опухолях у людей [15]. Существует несколько теорий, чтобы объяснить, почему nonsense мутации в ASPM влияют на деления нейрональных клеток, но не влияют на др. клетки, также экспрессирующие этот белок. Три наиболее вероятных объяснения. Первое, ASPM может участвовать в специализированной, не перекрываемой митотической функции в клетках нейральных предшественников. Второе, паттерн тканевой экспрессии подтверждает, что ASPM выполняет специфическую роль в митозах, но что функциональный эквивалент ASPM экспрессируется и в не-нейрональных клетках. Структурные и функциональные параллели могут быть проведены между ASPM и специфичным для, практически повсеместно экспрессируемым белком полюсов веретена nuclear mitotic apparatus (NuMA) [34-36]. Оба имеют ту же самую линейную структуру и присутствуют на полюсах веретена во время митозов. Drosophila не имеет эквивалента NuMA и мутации в asp являются летальными для личинок [29]. Третье, были идентифицированы изоформы ASPM, которые могут содержать достаточное количество доменов, чтобы быть функциональными в др. тканях [15]. последнее объяснение, по-видимому, мало вероятно. т.к. идентифицированы N-терминальные MCPH ASPM мутации (349C->T в экзоне 2) [17] у пациентов с MCPH, приводящие к укорочению только после 116 aa, прежде чем появится какой-нибудь сайт альтернативного сплайсинга.

CDK5RAP2, Cnn and Myomegalin


CDK5RAP2 [MIM 608201] первоначально был идентифицирован в головном мозге крыс в дрожжевой двугибридном поиске на белки церебрального кортекса крыс, взаимодействующих с cyclin-dependent kinase 5 regulatory protein 1 (CDK5R1) [37,38]. CDK5R1 активирует cyclin-dependent kinase 5 (CDK5). CDK5 , как было установлено, структурно и функционально близка к семейству cyclin-зависимых киназ, но не участвует в контроле клеточного цикла. CDK5 является разнородной протеин киназой, функционирующей только в головном мозге и с многочисленными нейрон-специфическими ролями в процессах, включающих нейрогенез, нейральную миграцию и нейродегенерацию (rev. [39]). CDK5RAP2 является ингибитором CDK5R1 и, следовательно, также ингибитором CDK5 [38].
CDK5RAP2, как было установлено, локализуется на центросомах в теченеи всего клеточного цикла (Figure 2b), и, следовательно, можно предположить, что он ингибирует функцию центросомной CDK5 [9]. Более того, исследования головного мозга эмбрионов и плодов человека и мышей показали, что ген экспрессируется преимущественно в нейроэпителии, выстилающим полости развивающегося головного мозга([9]; Cox, personal communication). Это указывает на то, что потенциальной ролью CDK5RAP2 является ингибирование центросомной CDK5 во время нейрогенеза.
Однако, функция CDK5RAP2 у млекопитающих ещё не установлена. Биоинформатика, учитывая малое содействие в предполагаемых функциональных белковых доменах, выявила потенциальные ортолог у Drosophila, Centrosomin (Cnn) ([9], rev. [13]) и гомолог у млекопитающих, Myomegalin. Drosophila cnn мутантный фенотип был изучен достаточно хорошо [40]. Уменьшение количества клеток в центральной и периферической нервной системе Drosophila обнаружено у нулевых cnn мутантов, а также онтогенетические эффекты в кишечнике [41]. Мутантные эмбрионы характеризовались высоким показателем, по-видимому, сцепленных веретен, которые обладали общими полюсами, которые содержали пониженные количества центросомных белков, таких как γ-tubulin, a на поздних стадиях такие эмбрионы часто не имели астральных микротрубочек, прикрепленных к полюсам веретена [42]. N-конец CDK5RAP2 взаимодействует с γ-tubulin кольцевым комплексом в центросоме, где он может инициировать зарождение (nucleation) микротрубочек [41]. γ-tubulin кольцевые комплексы располагаются внутри центросом и преобладают в месте нуклеации микротрубочек внутри клетки. В частности, они продуцируют микротрубочки, которые формируют митотическое веретено и астральные микротрубочки, которые прикрепляют центросомы к специфическим регионам кортекса клетки.
Широко распространенные эффекты мутаций Cnn у vs[ контрастируют с ограниченным фенотипом CDK5RAP2 у людей. Это может быть объяснено с помощью Myomegalin (PDE4DIP), второго ортолога Cnn у млекопитающих. Myomegalin также является центросомным белком, но имеет паттерн экспрессии, который преимущественно комплементарен CDK5RAP2 [43]. Следовательно, предполагая функциональную гомологию с Cnn, CDK5RAP2 может выполнять две не перекрывающиеся роли в нейрогенезе: усиливать продукцию центросомных микротрубочек и осуществлять негативный контроль над CDK5.

CENPJ, the γ tubulin ring and the centrosome


Официальное обозначение 'centromeric protein J' довольно неожиданно, т.к. в двух независимых исследованиях было показано, что этот белок локализуется на центросомах в течение всего митоза (Figure 2c) [9,44]. CENPJ [MIM 609279] был первоначально назван centrosomal protein 4.1-associated protein (CPAP) из-за своей клеточной локализации и взаимодействия с 4.1R protein non-erythrocyte 135 splice variant (4.1R-135) [45]. 4.1R-135 взаимодействует с NuMA в интерфазном ядре и формирует комплекс с компонентами митотического аппарата [46-48]. N-конец 4.1R-135 взаимодействует с C-терминальным Tcp10 доменом CENPJ, a CENPJ ассоциирует с γ-tubulin кольцевым комплексом [44]. Поэтому было предположено, что белок 4.1R-135 служит в качестве адаптора. который прикрепляет CENPJ/γ-tubulin комплекс к центросоме [45]. In vitro было показано, что CENPJ может ингибировать нуклеацию микротрубочек из γ-tubulin кольцевого комплекса и способен также деполимеризовать Taxol-стаблизированные микротрубочки [44].
В то время как одиночный ген CENPJ существует и у др. видов, включая Drosophila, но мутантный фенотип описан только у человека. Др. функциями CENPJ являются такие, как ко-активатор NF-κB-обусловленной транскрипции и Stat5-обусловленной транскрипции, но они вряд ли влияют на нейрогенез [49,50].

Microcephalin, cell cycle and DNA repair


Белок в 835-aa Microcephalin (MCPH1, [MIM 607117]) содержит три BRCA1 C-terminal (BRCT) домена, компоненты общие для белков репарации ДНК и клеточного цикла [51]. BRCT домены, как полагают, модулируются с помощью фосфорилирования посредством checkpoints клеточного цикла или посредством повреждений ДНК [52,53]. Идентифицированы три роли для Microcephalin: small-interfering-RNA (siRNA)-обусловленное истощение MCPH1 выявило роль в клеточном цикле в регуляции конденсации хромосом [54]; роль в реакции на повреждения ДНК посредством регуляции BRCA1 и checkpoint kinase 1 [52]; и MCPH1 (в качестве BRIT1) был идентифицирован как негативный регулятор каталитической субъединицы теломеразы [55].
MCPH1 ортологи были идентифицированы у многих видов, при этом у них законсервирована доменовая структура. Эволюционные исследования Microcephalin выявили Дарвиновский позитивный отбор во всех ветвях обезьян, подверженных позитивному отбору [56,57]. Внутриклеточное распределение MCPH1 и его роль в нейрогенезе ещё не установлены; однако, мутации MCPH1 могут давать MCPH благодаря неправильной регуляции клеточного цикла в нейральных предшественниках [7,54].

Conclusions


Control of neural progenitor division is essential to produce the requisite number of neurons during neurogenesis. The architecturally normal but small brain observed in MCPH results from a reduction in the number of neural cells. The neurogenic function of genes involved in primary microcephaly is as yet undetermined but their localisation in the cell is centrosomal. In all probability the role of the MCPH proteins is associated with control of progenitor cell expansions or with the decision of neural progenitor cells to switch inappropriately from symmetric to asymmetric cell division, as observed in the murine Nde1 (nuclear distribution gene E homologue 1)-null microcephalic brain [58].
The genes at the MCPH2 and MCPH4 loci have yet to be identified and multiple MCPH families remain unlinked to the known loci [18 and 20], indicating the existence of at least three further genes with neurogenic regulatory functions. Identification of MCPH genes and elucidation of their functions will provide further insights into the centrosomal mechanisms regulating cortical neurogenesis and will improve our understanding of the mitotic pathway leading to the evolutionary expansion of hominid brain size.

Update


Недавно опубликован второй случай микроцефалии как следствие missense мутации, идентифицировано новое MCPH1 гомозиготное 80C->G изменение, приводящее к замене высоко законсервированного остатка треонина на аргинин (Thr27Arg) внутри N-терминального BRCT домена [59]. В противоположность ранее идентифицированной MCPH missense мутации в CENPJ [9], MCPH1 missense мутация продуцирует специфический облегченный MCPH фенотип (окружность головы -3SD, слабая умственная отсталость и слегка усиленная конденсация хромосом).
Эта публикация показывает, что MCPH1 (в качестве BRIT1) контролирует множественные регуляторы DNA damage checkpoint, необходимые для intra-S и G2/M checkpoints [60].
Сайт создан в системе uCoz