'Mutantni dihurji' osvetljujejo razvoj človeških možganov
Med raziskovanjem razvoja človeških možganov z uporabo mutantnega dihurja so znanstveniki po naključju naleteli na namige o razvoju naših prevelikih možganov.
Ljudje so blagoslovljeni z razmeroma velikimi možgani. In v zadnjih 7 milijonih let - v evolucijskem smislu kratek čas - se je velikost naših možganov potrojila.
Možganska skorja, zvita in zložena zunanja plast, je še posebej takšna pri ljudeh. O tem, zakaj in kako so naši možgani postali tako prefinjeni, je veliko razprav in dokazov je trenutno malo.
Iskanje namigov o genskih in bioloških premikih, ki so se zgodili pred milijoni let, je podobno iskanju igle v kozolcu na drugi strani vesolja. Vendar se Lady Serendipity vsake toliko nasmehne znanstvenikom.
V zadnjem času so raziskovalci iz številnih ustanov, med drugim tudi z medicinskega inštituta Howarda Hughesa iz Chevy Chasea, univerze Yale v New Havenu, CT in otroške bolnišnice Boston v Massachusettsu, izvedli vrsto študij o mikrocefaliji.
Njihove študije so bile plodne in so še bolj razumele mikrocefalijo, a tudi bližje tej igli v oddaljenem kozolcu. Njihove ugotovitve so bile nedavno objavljene v reviji Narava.
"Izobražen sem za nevrologa in preučujem otroke z razvojnimi boleznimi možganov," pojasnjuje dr. Christopher Walsh iz otroške bolnišnice v Bostonu. "Nikoli si nisem mislil, da bom gledal v evolucijsko zgodovino človeštva."
Kako raziskati mikrocefalijo
Dojenčki z mikrocefalijo imajo veliko manjšo glavo kot običajno in njihova možganska skorja ni pravilno oblikovana. To stanje je pogosto genetsko, čeprav je v zadnjem času povezano tudi z virusom Zika.
Kako in zakaj se skorja ne tvori pravilno, ni popolnoma razumljeno. Eden od razlogov, zakaj je raziskovanje te teme tako zapleteno, je pomanjkanje dobrega modela; najpogosteje se uporablja model miške, ki pa ni primeren za svoj namen.
Mišji možgani so, kot bi lahko pričakovali, majhni. Tudi miši ne uživajo enake raznolike izbire možganskih celic kot ljudje, njihova skorja pa je veliko bolj gladka.
Gen, ki je najpogosteje vključen v mikrocefalijo, je tisti, ki kodira protein, znan kot Aspm. Ko bo ta gen mutiran, bodo človeški možgani približno na polovici običajne velikosti.
Pri miših brez gena, imenovanih Aspm knockout miši, pa se njihovi možgani skrčijo le za desetino. Ta komaj zaznavna sprememba znanstvenikom malo koristi.
V iskanju boljšega modela mikrocefalije so se raziskovalci, ki sta jih vodila dr. Walsh in Byoung-Il Bae z univerze Yale, obrnili na dihurje.
Na začetku se zdi, da je to čudna izbira živali, vendar je to smiselno; beli dihurji so večji in imajo zapleteno skorjo z enakim obsegom celičnih vrst kot ljudje. Prav tako se kot miši hitro in prosto razmnožujejo.
Kot pojasnjuje dr. Walsh, "se na prvi pogled dihurji zdijo smešni, vendar so že 30 let pomemben model za razvoj možganov."
Čeprav so se dihurji že prej izkazali za koristne, je o genetiki dihurjev malo znanega, zato bi bilo ustvarjanje verzije Aspm knockout za živali zahtevno. Doktor Walsh pa ni bil zadržan; zagotovil je financiranje in se lotil dela.
Izločilni dihur Aspm je šele drugi izločilni dihur, ki ga je človeštvo kdajkoli ustvarilo.
Kot je bilo pričakovano, so bili možgani izločilnih belih dihurjev do 40 odstotkov manjši od običajnih, kar jih je precej približalo človeški različici mikrocefalije. Tako kot pri človeški mikrocefaliji je bila debelina skorje nespremenjena.
Namig za razvoj možganov
Poleg oblikovanja novega in uporabnega modela človeške mikrocefalije so znanstveniki potopili tudi prste v veliko bolj nerešljiv problem: kako smo razvili tako velike možgane?
Raziskovali so, kako je izguba Apsm vplivala na možgane belih dihurjev tako, kot je. Napake so izsledili do sprememb v načinu obnašanja radialnih glialnih celic.
Radialne glialne celice se razvijejo iz nevroepitelnih celic, ki so matične celice živčnega sistema. Ti se lahko razvijejo v številne različne tipe celic v skorji.
Začnejo se v bližini možganskih prekatov radialne glialne celice pomikajo proti nastajajoči skorji. Ko se te celice oddaljujejo dlje od začetne točke, počasi izgubljajo sposobnost razvoja v različne vrste možganskih celic.
Skupina je ugotovila, da je pomanjkanje Apsm povzročilo, da so se radialne glijske celice lažje odlepile od prekatov in zgodaj začele migracijo.
Ko je bil čas izklopljen, se je razmerje med radialnimi glialnimi celicami in drugimi vrstami celic zmanjšalo, kar je povzročilo manj živčnih celic v skorji. Apsm deluje kot regulator, pri čemer pokliče gor ali dol skupno število kortikalnih nevronov. In tu je namig o evoluciji človeških možganov.
"Narava je morala rešiti problem spreminjanja velikosti človeških možganov, ne da bi morala celotno stvar znova načrtovati."
Byoung-Il Bae
Apsm na ta način spremeni razvoj možganov z vplivanjem na funkcijo centriolov ali celičnih struktur, ki sodelujejo pri celični delitvi. Brez Apsma centrioli svojega dela ne opravljajo pravilno.
V zadnjem času je nekaj genov, ki sodelujejo pri uravnavanju centriolnih proteinov, vključno z Apsm, doživelo evolucijske spremembe. Dr.Walsh meni, da so morda ti geni tisti, ki nas ločujejo od šimpanzov ali naših oddaljenih bratrancev Neandertalcev.
"To je smiselno za nazaj," pravi dr. Walsh. "Geni, ki so nam med razvojem sestavili možgane, so morali biti geni, ki jih je evolucija prilagodila, da so naši možgani večji."
S spremembo tega enega gena lahko spremenimo migracijo radialnih glialnih celic in skorja lahko naraste. Te študije ponujajo nov model mikrocefalije in nov vpogled v izvor naših izbočenih možganov.
