Людський мозок починається як тонкий шар клітин, що діляться, а згодом перетворюється на мільярди нейронів кори. Цей перехід контролюється складною послідовністю вмикання та вимикання генів у точні моменти часу. У новій роботі, опублікованій у журналі Genome Biology, дослідники з Університету Вісконсин–Медісон створили один із найповніших на сьогодні атласів генно-регуляторних мереж, які керують цим процесом. Як повідомляє Scienmag, цей ресурс показує, як генетичний контроль раннього розвитку мозку змінюється в часі, між ділянками мозку, типами клітин і навіть між видами.
Роботу виконала команда під керівництвом перших авторів Калпани Хантханан Араччіладже (Kalpana Hanthanan Arachchilage) та Раяна Д. Ріскогарда (Ryan D. Risgaard) за наукового супроводу Андре М. М. Соузи (André M. M. Sousa) та Даіфена Вана (Daifeng Wang). Вони створили ресурс, який може змінити уявлення про еволюцію людського мозку та про те, як порушення розвитку призводять до неврологічних розладів.
Як побудували карту генно-регуляторних мереж
Нейрогенез — процес, під час якого нейронні попередники діляться та диференціюються в нейрони — керується динамічними транскрипційними програмами. Ці програми відрізняються на різних етапах розвитку, у різних ділянках мозку та в різних типах клітин. Саме така варіативність і формує спеціалізовані нейронні кола, завдяки яким окремі зони мозку виконують різні функції.
Попри десятиліття досліджень, генно-регуляторні мережі (gene regulatory networks, GRNs), що координують ці процеси в різних видах і регіонах мозку, залишалися описаними неповно. Нова робота намагається закрити цю прогалину, створивши масштабний ресурс GRN, який охоплює 24 нейрогенні лінії у трьох видів ссавців: людини, макаки та миші.
Основна сила цього атласу — у його масштабі. Двадцять ліній походять із людського мозку, ще по дві — з мозку макаки та миші. Це дозволило авторам систематично порівнювати генно-регуляторні програми між видами та між різними ділянками мозку.
Інтегрувавши всі набори даних, команда описала, як у часі змінюється регуляція генів у різних нейрогенних лініях, і запровадила новий обчислювальний показник — так званий «динамічний бал». Він допомагає виявляти регуляторні підмережі, специфічні для певної лінії розвитку.
Такий аналіз виявив сотні динамічних регулонів — груп генів, які контролюються спільним регулятором, — а також ко-регуляторні модулі, активність яких змінюється в міру розвитку мозку.
Нові кандидати-регулятори та еволюційні відмінності
З атласу випливають як уже відомі, так і цілком нові кандидати-регулятори, що визначають диференціацію нейронів і регіональну ідентичність у людському мозку. Виявлення таких нових кандидатів важливе тим, що дає конкретні мішені для подальших експериментів: як саме різні ділянки мозку набувають своїх унікальних властивостей під час розвитку.
Дослідники також виявили еволюційні відмінності в генно-регуляторних мережах нейрогенезу. Вони описали молекулярні розбіжності між тим, як формуються нейрони в людини, порівняно з іншими ссавцями. Це має пряме значення для розуміння того, як людський мозок став таким відмінним за розмірами, різноманіттям клітин і тривалістю розвитку.
Порівняння людських GRN із мережами макаки та миші дозволяє відокремити консервативні механізми, спільні для ссавців і, ймовірно, фундаментальні для розвитку мозку, від тих, що змінилися в ході еволюції. Регуляторні програми, які виявилися унікальними або особливо вираженими в людини, можуть підказати, які молекулярні зміни лежать в основі появи людських когнітивних здібностей.
Перевірка на практиці: роль білка ILF2
Автори не обмежилися лише комп’ютерним моделюванням. Щоб перевірити надійність атласу, вони експериментально дослідили одного з кандидатів-регуляторів нейрогенезу — білок ILF2.
Отримані результати свідчать, що ILF2 бере участь у нейрогенезі, тобто атлас не просто описує вже відомі зв’язки, а й генерує нові, біологічно змістовні гіпотези, які можна перевіряти в лабораторії. Детальний опис експресії ILF2 під час розвитку людської кори наведено в додаткових матеріалах до статті, разом із численними тестами чутливості, що підтверджують надійність обчислювальної методики.
Зв’язок із неврологічними розладами
Найбільш клінічно значущою частиною роботи стала побудова мосту між генно-регуляторними мережами та хворобами. Дослідники нанесли гени, пов’язані з неврологічними станами, на свій атлас і виявили динаміку регуляції, пов’язану з 30 неврологічними розладами та рисами.
Серед них — деякі з найскладніших і найменш зрозумілих станів у неврології та психіатрії: розлади аутистичного спектра, шизофренія, інтелектуальна недостатність, мікроцефалія та інші. Пов’язавши гени ризику з конкретними регуляторними програмами та часовими вікнами розвитку, атлас пропонує рамку для вивчення того, як порушення регуляції генів на ранніх етапах формування мозку можуть підвищувати ризик хвороби.
Такий підхід відображає сучасне розуміння: багато нейророзвиткових і психіатричних розладів зумовлені не поломкою одного гена, а збоями цілих регуляторних контурів. Варіант гена, який сам по собі має невеликий ефект, може, змінюючи час або інтенсивність транскрипційної програми в критичний період нейрогенезу, впливати на цілу мережу «нижчих» за ієрархією генів і мати значні наслідки.
Атлас, що фіксує ці мережі в часовому та просторовому контексті, дозволяє ставити точніші запитання: не лише які гени пов’язані з розладом, а й коли і де в розвитку вони діють та через які регуляторні шляхи реалізується їхній вплив.
Відкритий ресурс для наукової спільноти
Дослідження виконали в Центрі Вайсмана Університету Вісконсин–Медісон за участі фахівців із нейронаук, біостатистики та медичної інформатики, комп’ютерних наук і наук про громадське здоров’я. Робота фінансувалася Національними інститутами здоров’я США та Національним науковим фондом, а дослідження людської мозкової тканини проводили відповідно до етичних вимог інституційної комісії з етики.
Стаття опублікована у відкритому доступі, а вихідні дані — повні генно-регуляторні мережі для всіх 24 ліній, динамічні бали регулонів, ко-регуляторні модулі та зв’язки між регулонами й розладами — подані в розширених додаткових таблицях.
Ключовий момент — ресурс вільно доступний через інтерактивну онлайн-платформу, тож дослідники з усього світу можуть самостійно досліджувати динамічні регуляторні мережі нейрогенезу. За словами авторів, атлас полегшує пошук ключових регуляторів раннього розвитку нейронів, дає уявлення про еволюцію регуляторних програм людського мозку та відкриває шлях до вивчення механізмів, пов’язаних із хворобами.
Для галузі, яка давно намагається поєднати воєдино гени, розвиток, еволюцію та хвороби, це дослідження пропонує те, чого бракувало: єдину інтегровану карту регуляторного «ландшафту», на якому будується мозок ссавців. І показує, що якщо розглядати цей ландшафт динамічно — у часі та між видами — на поверхню виходять нові регулятори, еволюційні сигнатури та зв’язки з розладами, які раніше залишалися непоміченими.