Ген большого мозга невозможно определить у животных

Оплодотворенная яйцеклетка (зигота) начинает делиться уже на вторые сутки. Недифференцированные эмбриональные стволовые клетки дают начало всем тканям будущего организма. На одном из этапов развития зиготы (гаструляция) часть универсальных стволовых клеток преобразуется в зародышевую нервную ткань -- нейроэктодерму. Уже на третьей неделе беременности у человеческого эмбриона, длина которого всего-то 3 мм (!), формируется зачаток нервной системы -- нервная трубка.

Нервная трубка

В формировании и развитии нервной трубки участвует огромное количество разнообразных белков. Каждое из соединений выполняет определенную функцию в появлении нейронов или нейроглии. Но пока ученым не удавалось обнаружить гены или соединения, которые выполняют базовую функцию -- дифференцируют стволовые клетки и награждают каждую из групп своими особенностями и обязанностями.

Естествоиспытатели неоднократно пытались найти зачинщика в человеческом эмбрионе. Ведь есть же что-то, что дает знать будущим нервным клеткам, что это именно они будут думать и координировать работу всего остального организма. Но, как правило, большинство сложностей возникало уже на этапе подготовки эксперимента. Для наблюдений нужен человеческий зародыш, с которым можно проводить генетические манипуляции и вести наблюдения.

Исследователи из Университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison), Шанхайского института биологических наук (Shanghai Institute of Biological Sciences) и Университета Фудань (Fudan University) нашли загадочного мага, который так долго скрывался от глаз ученых. Им оказался ген Pax6. Более того, когда они сравнили функции одного и того же гена в организмах различных животных, пойманный зачинщик снова заставил их задуматься: только в человеческом эмбрионе он отвечает за формирование нейроэктодермы. У животных Pax6 выполняет несколько иные функции.

Эксперимент

Для эксперимента ученые использовали абортивный человеческий материал и зародышевые ткани, которые взяли у беременной обезьяны. Биологи обратили внимание на три разновидности уже известного гена -- Pax6. В экспериментах с грызунами исследователи неоднократно обнаруживали, что Pax6 влияет на тот или иной участок нервной системы. Одна из разновидностей гена активно реализует наследственный материал в зрительных луковицах и глазах у мышей. Две другие находились в мозге, но отсутствовали в глазном яблоке.

В новом исследовании биологи решили проследить за развитием нервной системы приматов, создавая новые генетические условия. Ученые поочередно блокировали одну из разновидностей генов и наблюдали за развитием нейроэктодермы. Оказалось, что Pax6 активно работает на начальных этапах развития человеческого эмбриона, чего не наблюдалось в эксперименте с грызунами. Полная же блокировка гена в клетках человеческого эмбриона приводит к тому, что нейроэктодерма вовсе прекращает образовываться. Если же ген Pax6 проявляет избыточную активность, то клетки эмбриона утрачивают универсальные свойства. Экспериментаторы также проверили подтипы гена Pax6 и выяснили, что чрезмерное проявление одного из них (Pax6a) перепрограммирует эмбриональные стволовые клетки, и они все превращаются в зачаток нервной ткани.

Необычный ген

На основе полученных результатов ученые пришли к выводу, что именно ген Pax6 обеспечивает преобразование многофункциональных эмбриональных стволовых клеток в клетки будущей нервной системы. Пока непонятно, почему исследованный ген не выполняет сравнимо важные функции в становлении и развитии мозга у грызунов, птиц или амфибий. Но «возможно, что за размеры коры головного мозга приматы должны благодарить именно Pax6», говорит один из участников исследования Чжан Су Чунь (Su-Chun Zhang).

Новые знания имеют не только академическую ценность, но и прикладное медицинское значение. Возможно, что в будущем медики будут выращивать утраченные и поврежденные части мозга и таким способом лечить травмы и нейродегенеративные заболевания.

«Несомненно, в развитии мозга участвует еще не один ген. Но Pax6 выполняет основную функцию, все остальные гены дополняют или продолжают уже начатую работу», -- продолжает Чжан Су Чунь.

Подробнее с результатами исследования можно ознакомиться в статье Pax6 Is A Human Neuroectoderm Cell Fate Determinant, которая опубликована в журнале Stem Cell.