Мини-мозги, сходные с мозгом неандертальца, вырастили в лаборатории при помощи технологии CRISPR

Органоиды, которые содержат древнюю версию гена, влияющего на развитие мозга, оказались меньше и извилистее, чем мини-мозги с генами человека.

Большинство исследований мозга неандертальцев приходится проводить, глядя на размер и форму окаменевших черепов. Фото: Национальный исторический музей, London/Science Photo Library
Большинство исследований мозга неандертальцев приходится проводить, глядя на размер и форму окаменевших черепов. Фото: Национальный исторический музей, London/Science Photo Library

Исследователи создали крошечные мозгоподобные «органоиды», которые содержат вариант гена, взятого у двух вымерших родственников человека: неандертальца и денисовца. Ткани, полученные генной инженерией стволовых клеток человека, конечно, очень далеки от точного представления мозгов этих видов, но они показывают чёткие отличия от органоидов человека по размеру, форме, текстуре и не только. Результаты, опубликованные в Science в пятницу, 11 февраля, могут помочь учёным понять генетические пути эволюции мозга человека.

«Это экстраординарная статья с экстраординарными заявлениями», — говорит Грей Кэмп, эволюционный биолог в Базельском университете в Швейцарии, чья лаборатория в прошлом году сообщила о выращивании мозговых органоидов, которые содержали ген, общий для неандертальцев и человека. Их последняя работа идёт ещё дальше и рассматривает варианты генов, которые люди потеряли в ходе эволюции. Но Кэмп пока осторожно делает выводы из результатов и говорит, что работа ставит ещё больше вопросов, требующих изучения.

Люди ближе к неандертальцам и денисовцам, чем к любым другим приматам. Около 40% генома неандертальцев всё ещё можно найти среди генов ныне живущих людей. Но исследователи ограничены в способах изучения мозга этих древних видов, так как мягкие ткани не слишком хорошо сохраняются, поэтому большинство исследований полагается на изучение размера и формы окаменелых черепов. Знание того, как гены видов отличаются от человеческих, важно, потому что оно помогает исследователям понять, что делает людей уникальными, особенно в отношении наших мозгов.

Мозговые органоиды, содержащие древний вариант гена (внизу), оказались меньше и грубее, чем человеческие. Фото: К. А. Трухильо и коллеги / Science
Мозговые органоиды, содержащие древний вариант гена (внизу), оказались меньше и грубее, чем человеческие. Фото: К. А. Трухильо и коллеги / Science

Исследователи под руководством Элиссона Муотри, нейробиолога из Калифорнийского университета в Сан-Диего, использовали технологию редактирования генома CRISPR–Cas9, чтобы ввести вариант гена под названием NOVA 1, характерного для неандертальцев и денисовцев, в человеческие стволовые клетки, которые могут развиться в любой тип клеток. Затем они культивировали их в органоиды, сгустки ткани, похожей на мозговую, размером до 5 миллиметров, а также создали нормальные органоиды мозга человека для сравнения.

Сразу стало ясно, что органоиды, экспрессирующие древний вариант NOVA1, были другими. «Как только мы увидели форму этих органоидов, мы поняли, что напали на след чего-то интересного», — говорит Муотри. Органоиды человеческого мозга обычно гладкие и сферические, тогда как органоиды с древними генами имели грубые, сложные поверхности и были меньше. По словам авторов, это, возможно, произошло из-за различий в том, как клетки растут и делятся.

Сравнение геномов

Чтобы определить, какой из древних генов экспрессируется в органоидах, исследователи сравнили библиотеку последовательностей человеческого генома и почти полные геномы двух неандертальцев и одного денисовца. Они обнаружили 61 ген, которые в человеческой версии постоянно отличались от их вариантов у древних видов. Среди них был NOVA1, который участвует в формировании мозговых синапсов, а также при изменении может приводить к неврологическим расстройствам.

Человеческий ген NOVA1 отличается от древнего варианта, который всё ещё представлен в других ныне живущих приматах, на одно основание, которое исследователи отредактировали в стволовых клетках, используя CRISPR–Cas9. Это отличие заключается в замене одной аминокислоты в белке NOVA1, производимом архаичными органоидами. «То, что все или почти все люди сейчас имеют эту, а не старую версию, означает, что она дала нам невероятное преимущество на определённом этапе эволюции. Сейчас же вопрос в том, в чём заключается это преимущество», — сказал Муотри.

Различия между полученными органоидами нашлись и на молекулярном уровне. Команда обнаружила 277 генов, активность которых различалась у органоидов с древним и с современным геном. Для некоторых из этих генов известно, что они влияют на развитие и связность нейронов. Таким образом, архаичные органоиды содержали другие уровни синаптических белков и их нейроны срабатывали в менее упорядоченных паттернах, чем у контрольных тканей. Это также свидетельствует о том, что древние виды взрослели быстрее.

Большая разница

«Самым значительным результатом оказалось то, что, если вернуть ген в состояние, характерное для человеческих предков, можно увидеть эффект этого на органоиде», — сказал Вольфганг Энард, эволюционный генетик из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана. Он впечатлён тем, что столь малое генетическое различие вызывает такие очевидные изменения, но скептически относится к тому, что необычный внешний вид органоидов может многое сказать о мозгах неандертальцев.

Кэмп также предупреждает, что маловероятно, что эти органоиды с древним геном полностью представляют ткани неандертальцев. Вместо этого, наблюдаемые характеристики могут быть результатом замены важного белка, присутствующего у людей, из-за сочетанного эффекта многих мутаций, накладывавшихся друг на друга с течением времени. «Это как «Дженга», — говорит он. — Вытянешь одну аминокислоту, и мозг не работает».

И всё-таки, по мнению Сюзанны Херкулано-Хаузел, эволюционного нейробиолога в университете Вандербильта в Нэшвилле, Теннесси, подход с отредактированными органоидами может быть полезен для изучения эволюции мозга у приматов. Команда Муотри планирует создать органоиды, отредактированные так, чтобы они содержали другие гены, возвращённые к более древнему состоянию, что может дать дополнительные данные о человеческом мозге. Если учёные смогут понять эволюционный путь, который привёл людей к текущему состоянию, то, по его словам, они смогут улучшить понимание болезней человеческого мозга.

_______________

Оригинал материала — Neanderthal-like ‘mini-brains’ created in lab with CRISPR, Исследование — doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00388-2

Перевод Антон Меньшенин, редактор Вера Круз, автор блога Обзоры фильмов и книг Веры Круз.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s