Человеческий мозг, вероятно, является самым сложным органом во всем живом мире и уже давно является объектом восхищения исследователей. Однако изучение мозга, и особенно генов и молекулярных переключателей, которые регулируют и направляют его развитие, является непростой задачей.

На сегодняшний день ученые продолжают использовать модели на животных, в первую очередь на мышах, но их результаты не могут быть переданы непосредственно людям. Мозг мыши устроен по-другому и лишен бороздчатой поверхности, типичной для человеческого мозга. Клеточные культуры до сих пор имели ограниченную ценность в этой области, поскольку клетки имеют тенденцию распространяться по большой площади при выращивании на чашке для культивирования; это не соответствует естественной трехмерной структуре мозга.

Отображение молекулярных отпечатков пальцев

Группа исследователей во главе с Барбарой Трейтлейн, профессором ETH на кафедре биосистемной науки и инженерии в Базеле, теперь применила новый подход к изучению развития человеческого мозга: они выращивают и используют органоиды — трехмерные ткани миллиметрового размера, которые могут быть выращены из того, что известно как плюрипотентные стволовые клетки.

При условии, что эти стволовые клетки получают правильный стимул, исследователи могут запрограммировать их на превращение в любой вид клеток, присутствующих в организме, включая нейроны. Когда стволовые клетки объединяются в небольшой комочек ткани и затем подвергаются воздействию соответствующего стимула, они могут даже самоорганизоваться и сформировать трехмерный органоид мозга со сложной тканевой архитектурой.

В новом исследовании, только что опубликованном в журнале Nature, Трейтлейн и ее коллеги изучили тысячи отдельных клеток внутри органоида мозга в различные моменты времени и очень подробно. Их целью было охарактеризовать клетки в молекулярно-генетических терминах: другими словами, совокупность всех транскриптов генов (транскриптом) как показатель экспрессии генов, а также доступность генома как показатель регуляторной активности. Им удалось представить эти данные в виде своеобразной карты, показывающей молекулярный отпечаток каждой клетки внутри органоида.

Однако эта процедура генерирует огромные наборы данных: каждая клетка в органоиде содержит 20 000 генов, и каждый органоид, в свою очередь, состоит из многих тысяч клеток. "В результате получается гигантская матрица, и единственный способ, которым мы можем ее решить, - это с помощью подходящих программ и машинного обучения", - объясняет Джонас Флек, докторант в группе Трейтлейна и один из соавторов исследования.

Чтобы проанализировать все эти данные и предсказать механизмы регуляции генов, исследователи разработали свою собственную программу. "Мы можем использовать его для создания целой сети взаимодействия для каждого отдельного гена и предсказать, что произойдет в реальных клетках, когда этот ген выйдет из строя", - говорит Флек.

Идентификация генетических переключателей

Целью этого исследования было систематическое выявление тех генетических переключателей, которые оказывают значительное влияние на развитие нейронов в различных областях органоидов головного мозга.

С помощью системы CRISPR-Cas9 исследователи ETH выборочно отключили по одному гену в каждой клетке, в общей сложности около двух десятков генов одновременно во всем органоиде. Это позволило им выяснить, какую роль соответствующие гены сыграли в развитии органоида мозга.

"Этот метод может быть использован для скрининга генов, участвующих в заболевании. Кроме того, мы можем посмотреть на влияние этих генов на то, как развиваются различные клетки внутри органоида", - объясняет Софи Янсен, также докторант в группе Трейтлейна и второй соавтор исследования.

Проверка формирования паттерна в переднем мозге

Чтобы проверить свою теорию, исследователи выбрали ген GLI3 в качестве примера. Этот ген является основой для одноименного фактора транскрипции, белка, который прикрепляется к определенным участкам ДНК, чтобы регулировать другой ген. Когда GLI3 выключен, клеточный механизм не может считывать этот ген и транскрибировать его в молекулу РНК.

У мышей мутации в гене GLI3 могут привести к порокам развития центральной нервной системы. Его роль в развитии нейронов человека ранее была неисследованной, но известно, что мутации в гене приводят к таким заболеваниям, как цефалополисиндактилия Грейга и синдромы Паллистера Холла.

Подавление этого гена GLI3 позволило исследователям как проверить свои теоретические прогнозы, так и непосредственно в культуре клеток определить, как потеря этого гена повлияла на дальнейшее развитие органоида мозга. "Мы впервые показали, что ген GLI3 участвует в формировании паттернов переднего мозга у людей. Ранее это было показано только на мышах", - говорит Трейтлейн.

Модельные системы отражают биологию развития

"Самое интересное в этом исследовании то, что оно позволяет использовать общегеномные данные из стольких отдельных клеток, чтобы постулировать, какие роли играют отдельные гены", - объясняет она. "Что, на мой взгляд, не менее интересно, так это то, что эти модельные системы, созданные в чашке Петри, действительно отражают биологию развития в том виде, в каком мы ее знаем по мышам".

Трейтлейн также находит захватывающим, как питательная среда может дать начало самоорганизующейся ткани со структурами, сравнимыми со структурами человеческого мозга - не только на морфологическом уровне, но и (как показали исследователи в своем последнем исследовании) на уровне регуляции генов и формирования паттернов. "Органоиды, подобные этому, действительно являются отличным способом изучения биологии развития человека", - отмечает она.

Универсальные органоиды мозга

Исследования органоидов, состоящих из клеточного материала человека, имеют то преимущество, что полученные результаты могут быть переданы людям. Они могут быть использованы для изучения не только основ биологии развития, но и роли генов в заболеваниях или нарушениях развития мозга. Например, Трейтлейн и ее коллеги работают с органоидами этого типа, чтобы исследовать генетическую причину аутизма и гетеротопии; в последнем случае нейроны появляются за пределами их обычного анатомического расположения в коре головного мозга.

Органоиды также могут быть использованы для тестирования лекарств и, возможно, для культивирования трансплантируемых органов или их частей. Трейтлейн подтверждает, что фармацевтическая промышленность очень заинтересована в этих клеточных культурах.

Однако выращивание органоидов требует как времени, так и усилий. Более того, каждый сгусток клеток развивается индивидуально, а не стандартизированным образом. Вот почему Трейтлейн и ее команда работают над улучшением органоидов и автоматизацией процесса их производства.