„Mutantné fretky“ osvetľujú vývoj ľudského mozgu
Pri skúmaní vývoja ľudského mozgu pomocou modelu mutantnej fretky vedci náhodne narazili na stopy týkajúce sa vývoja našich nadrozmerných mozgov.
Ľudia majú požehnaný pomerne veľkým mozgom. A za posledných 7 miliónov rokov - z evolučného hľadiska krátkeho časového rozpätia - sa veľkosť nášho mozgu strojnásobila.
Mozgová kôra, zvlnená a zložená vonkajšia vrstva, je tomu tak najmä u ľudí. Presne to, prečo a ako sa náš mozog stal tak odvážnym, je predmetom mnohých debát a dôkazov je momentálne málo.
Nájsť stopy ohľadom genetických a biologických posunov, ktoré nastali pred miliónmi rokov, je podobné ako hľadať ihlu v kope sena na druhej strane vesmíru. Lady Serendipity sa však na vedcov usmieva veľmi často.
Nedávno vedci z niekoľkých inštitúcií, vrátane lekárskeho ústavu Howarda Hughesa v Chevy Chase, MD, Yale University v New Haven, CT a Bostonskej detskej nemocnice v Massachusetts, uskutočnili sériu štúdií zameraných na mikrocefáliu.
Ich štúdie boli plodné a podporili naše chápanie mikrocefálie, ale priblížili nás tiež bližšie k tejto ihle vo vzdialenej kope sena. Ich objavy boli nedávno zverejnené v časopise Príroda.
„Som vycvičený ako neurológ a študujem deti s vývojovými ochoreniami mozgu,“ vysvetľuje Dr. Christopher Walsh z Bostonskej detskej nemocnice. "Nikdy som si nemyslel, že nazriem do evolučnej histórie ľudstva."
Ako skúmať mikrocefaliu
Dojčatá s mikrocefáliou majú oveľa menšiu hlavičku ako obvykle a ich mozgová kôra sa nevytvára správne. Tento stav je často genetický, aj keď v poslednej dobe sa spája aj s vírusom Zika.
Ako a prečo sa kôra netvorí správne, nie je úplne pochopená. Jedným z dôvodov, prečo je skúmanie tejto témy také zložité, je nedostatok dobrého modelu; najčastejšie sa používa model myši, ale nie je vhodný na daný účel.
Mozog myši je, ako možno čakáte, maličký. Tiež si myši nevychutnávajú rovnako rôznorodý výber mozgových buniek ako ľudia a ich kôra je oveľa plynulejšia.
Gén, ktorý sa najčastejšie podieľa na mikrocefálii, je ten, ktorý kóduje proteín známy ako Aspm. Keď bude tento gén mutovaný, ľudský mozog bude mať zhruba polovicu normálnej veľkosti.
U myší bez génu - nazývaného Aspm knockout myši - sa im však mozog zmenšil iba o jednu desatinu. Táto sotva zistiteľná zmena je pre vedcov málo užitočná.
Pri hľadaní lepšieho modelu mikrocefálie sa vedci, ktorých viedli Dr. Walsh a Byoung-Il Bae z Yaleovej univerzity, zamerali na fretky.
To by sa na prvý pohľad mohlo zdať ako zvláštna voľba zvieraťa, ale má to zmysel; fretky sú väčšie a majú zložitú kôru s rovnakým rozsahom bunkových typov ako ľudia. Rovnako ako myši sa rýchlo a slobodne množia.
Ako vysvetľuje Dr. Walsh, „Na prvý pohľad sa môže zdať, že fretky sú zábavnou voľbou, ale už 30 rokov sú dôležitým modelom pre vývoj mozgu.“
Aj keď sa fretky osvedčili už skôr, o genetike fretiek sa vie len málo, takže vytvoriť verziu zvieraťa s vyradením Aspm by bolo náročné. Dr. Walsha to však neodradilo; zabezpečil si financovanie a dal sa do práce.
Vyradená fretka Aspm je iba druhou vyraďovacou fretkou, ktorú ľudstvo kedy vytvorilo.
Ako sa dalo čakať, mozog fretiek vyradených Aspm bol až o 40 percent menší ako zvyčajne, čím sa priblížil oveľa viac k ľudskej verzii mikrocefálie. A rovnako ako v prípade ľudskej mikrocefálie, kortikálna hrúbka sa nezmenila.
Indícia pre vývoj mozgu
Vedci navrhli nový a užitočný model pre ľudskú mikrocefáliu a ich prsty sa ponorili do oveľa neriešiteľnejšieho problému: ako sme vyvinuli taký veľký mozog?
Skúmali, ako strata Apsmu ovplyvnila mozog fretiek tak, ako to urobila. Poruchy sa sledovali späť k zmenám v správaní radiálnych gliových buniek.
Radiálne gliové bunky sa vyvíjajú z neuroepiteliálnych buniek, ktoré sú kmeňovými bunkami nervového systému. Sú schopné vyvinúť sa do množstva rôznych typov buniek v kôre.
Začínajúc blízko rozvíjajúcich sa mozgových komôr, radiálne gliové bunky sa pohybujú smerom k formujúcej sa kôre. Keď sa tieto bunky vzdialia od svojho počiatočného bodu, pomaly strácajú schopnosť vyvinúť sa do rôznych typov mozgových buniek.
Tím zistil, že nedostatok Apsm spôsobil, že sa radiálne gliové bunky ľahšie odlúčili od komôr, a zahájil včasnú migráciu.
Len čo bolo načasovanie vypnuté, pomer radiálnych gliových buniek k iným bunkovým typom prešiel skreslene, čo malo za následok menej nervových buniek v kôre. Apsm pôsobí ako regulátor, ktorý vytáča hore alebo dole celkový počet kortikálnych neurónov. A tu je kľúč k evolúcii ľudského mozgu.
"Príroda musela vyriešiť problém so zmenou veľkosti ľudského mozgu bez toho, aby musela celú vec znova navrhovať."
Byoung-Il Bae
Apsm týmto spôsobom mení vývoj mozgu ovplyvňovaním funkcie centriolov alebo bunkových štruktúr podieľajúcich sa na delení buniek. Bez Apsm nerobia centrioli svoju prácu správne.
V poslednej dobe prešlo evolučnými zmenami niekoľko génov zapojených do regulácie proteínov centriolu, vrátane Apsm. Dr. Walsh verí, že to môžu byť práve tieto gény, ktoré nás odlišujú od šimpanzov alebo našich vzdialených bratrancov neandertálcov.
"To má zmysel spätne," hovorí Dr. Walsh. "Gény, ktoré spojili náš mozog počas vývoja, museli byť gény, ktoré evolúcia vylepšila, aby sa náš mozog zväčšil."
Zmenou tohto jedného génu možno zmeniť migráciu radiálnych gliových buniek a kôra sa môže zväčšiť. Tieto štúdie poskytujú nový model pre mikrocefáliu a nový pohľad na pôvod nášho vypuklého mozgu.
