Почему у некоторых детей развивается слишком маленький мозг (микроцефалия)? Международная исследовательская группа, в состав которой входят Немецкий центр приматов — Институт исследований приматов им. Лейбница (DPZ), Ганноверская медицинская школа (MHH) и Институт молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка, использовала органоиды человеческого мозга для изучения того, как изменения важных структурных белков в клетке приводят к этому серьезному нарушению развития.
Мутации в генах актина изменяют способ деления ранних клеток-предшественников в головном мозге. Это уменьшает количество этих клеток, что приводит к замедлению роста мозга и уменьшению его размеров. «Наши результаты дают первое клеточное объяснение микроцефалии у людей с редким синдромом Барайтсера-Винтера», — говорит Индра Нихаус, научный сотрудник Ганноверской медицинской школы и первый автор исследования, опубликованного в журнале EMBO Reports .
Нарушение «внутреннего клеточного каркаса» изменяет развитие мозга
Актин — это основной строительный блок цитоскелета, внутренней опорной и транспортной структуры каждой клетки. У людей с синдромом Барайтсера-Винтера обнаруживается мутация одного из двух центральных генов актина. Для исследования влияния этих мутаций исследователи получили индуцированные плюрипотентные стволовые клетки из клеток кожи пациентов с синдромом Барайтсера-Винтера. Из них они сформировали трехмерные органоиды мозга, которые воспроизводят важные этапы раннего развития человеческого мозга.
Результаты были очевидны: после 30 дней роста органоиды пациентов были примерно на четверть меньше, чем контрольные органоиды от здоровых доноров. Внутренние структуры, напоминающие желудочки мозга, где расположены клетки-предшественники и формируются ранние нервные клетки, также были значительно меньше.
Меньшее количество клеток-предшественников в раннем мозге
Более детальное изучение типов клеток в органоидах выявило сдвиг: доля апикальных клеток-предшественников, то есть центральной популяции клеток-предшественников коры головного мозга, значительно уменьшилась. В то же время наблюдалось увеличение количества базальных клеток-предшественников, типа дочерних клеток, которые обычно появляются только на более поздних стадиях развития.
Деление клеток происходит в неправильном направлении.
Исследовательская группа использовала микроскопию высокого разрешения для анализа деления апикальных клеток-предшественников. В норме эти клетки делятся преимущественно перпендикулярно поверхности желудочковой зоны. Только таким образом клеточные компоненты распределяются равномерно и образуются две новые апикальные клетки-предшественники. В органоидах пациентов этот процесс был нарушен: доля вертикальных делений была значительно снижена.
Вместо этого большинство клеток делилось горизонтально или под косыми углами. Это изменение ориентации привело к тому, что апикальные клетки-предшественники обновлялись реже, чаще отделялись от желудочковой зоны и трансформировались в базальные клетки-предшественники.
«Наш анализ очень четко показывает, что изменение ориентации деления клеток-предшественников является решающим фактором уменьшения размера мозга», — говорит Михаэль Хайде, руководитель группы в Немецком центре приматов и последний автор исследования. «Одного изменения в цитоскелете достаточно, чтобы нарушить ход раннего развития мозга».
Незначительные структурные отклонения могут иметь серьезные последствия.
Изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, выявили дополнительные аномалии: форма клеток на желудочковой поверхности стала неправильной. Между соседними клетками увеличилось количество выступов. Кроме того, в местах соединения клеток наблюдалось необычно высокое содержание тубулина — еще одного компонента цитоскелета, играющего важную роль в клеточном делении. Хотя основная клеточная архитектура оставалась узнаваемой, этих изменений могло быть достаточно, чтобы навсегда нарушить ориентацию деления.
Генетические доказательства: достаточно одной мутации.
Чтобы исключить возможность того, что различия между органоидами пациентов и контрольной группы были вызваны другими генетическими факторами, команда провела контрольный эксперимент: линия здоровых стволовых клеток была модифицирована с помощью CRISPR/Cas9 таким образом, чтобы нести точно такую же мутацию, как у одного из пациентов с синдромом Барайтсера-Винтера. Результат: полученные таким образом органоиды головного мозга показали те же пороки развития, что и органоиды, полученные от пациента, — доказательство того, что причиной является сама мутация.
Что это значит для медицины и научных исследований?
«Наши результаты помогают нам понять, как редкие генетические заболевания приводят к сложным порокам развития головного мозга, и подчеркивают потенциал органоидов головного мозга для биомедицинских исследований», — говорит Хайде.
«Терапевтический потенциал этого исследования заключается в диагностике, поскольку наши данные помогают лучше классифицировать генетические изменения у пациентов. Поскольку заболевание поражает процессы раннего развития плода, вмешательства у людей были бы сложными. Однако новые препараты, влияющие на взаимодействие между актином и микротрубочками, могут открыть новые подходы в долгосрочной перспективе», — говорит Наталия Ди Донато, директор Института генетики человека Ганноверской медицинской школы.
