„Mutantní fretky“ osvětlují vývoj lidského mozku
Při zkoumání vývoje lidského mozku pomocí modelu mutantní fretky vědci náhodou narazili na vodítka o vývoji našich nadrozměrných mozků.
Lidé mají požehnání s relativně velkým mozkem. A za posledních 7 milionů let - z evolučního hlediska krátké časové rozpětí - se velikost našich mozků ztrojnásobila.
Mozková kůra, spletitá a složená vnější vrstva, je zvláště u lidí. Přesně to, proč a jak se náš mozek stal tak zatraceně fantazijní, je předmětem mnoha debat a důkazů je v současné době málo.
Nalezení stop genetických a biologických posunů, ke kterým došlo před miliony let, je podobné hledání jehly v kupce sena na druhé straně vesmíru. Lady Serendipity se však na vědce tak často usmívá.
Nedávno provedli vědci z řady institucí, včetně Lékařského institutu Howarda Hughese v Chevy Chase, Yale University v New Haven, CT a Bostonské dětské nemocnice v Massachusetts, řadu studií zaměřených na mikrocefalii.
Jejich studie byly plodné a podporovaly naše chápání mikrocefalie, ale také nás přiblížily blíže k této jehle ve vzdálené kupce sena. Jejich nálezy byly nedávno zveřejněny v časopise Příroda.
"Jsem vycvičen jako neurolog a studuji děti s vývojovými mozkovými chorobami," vysvětluje Dr. Christopher Walsh z Bostonské dětské nemocnice. "Nikdy jsem si nemyslel, že nahlédnu do evoluční historie lidstva."
Jak zkoumat mikrocefalii
Děti s mikrocefalií mají mnohem menší hlavu než obvykle a jejich mozková kůra není vytvořena správně. Tento stav je často genetický, i když nedávno byl také spojen s virem Zika.
Jak a proč se kůra netvoří správně, není zcela objasněno. Jedním z důvodů, proč je zkoumání tohoto tématu tak složité, je nedostatek dobrého modelu; nejčastěji se používá model myši, ale není vhodný pro daný účel.
Mozek myši je, jak můžete očekávat, maličký. Myši také nemají tolik rozmanitý výběr mozkových buněk jako lidé a jejich kůra je mnohem hladší.
Gen nejčastěji zapojený do mikrocefalie je ten, který kóduje protein známý jako Aspm. Když bude tento gen mutován, lidský mozek bude mít přibližně polovinu normální velikosti.
U myší bez genu zvaného Aspm knockout myši se však jejich mozek zmenšil jen o jednu desetinu. Tato stěží zjistitelná změna je pro vědce málo užitečná.
Při hledání lepšího modelu mikrocefalie se vědci - vedeni Dr. Walshem a Byoung-Il Bae z Yale University - obrátili k fretkám.
To by se na první pohled mohlo zdát jako zvláštní volba zvířete, ale dává to smysl; fretky jsou větší a mají složitou kůru se stejným rozsahem typů buněk jako lidé. Stejně jako myši se chovají rychle a svobodně.
Jak vysvětluje Dr. Walsh, „Na první pohled se mohou fretky zdát zábavnou volbou, ale již 30 let jsou důležitým modelem pro vývoj mozku.“
Ačkoli se fretky ukázaly jako užitečné již dříve, o genetice fretek se ví jen málo, takže vytvořit verzi zvířete s vyřazením Aspm by bylo náročné. Dr. Walsha to však neodradilo; zajistil financování a pustil se do práce.
Aspm knockout fretka je pouze druhou knockoutovou fretkou, kterou kdy lidstvo vytvořilo.
Jak se dalo očekávat, mozky Aspm knockout fretek byly až o 40 procent menší než obvykle, čímž se podstatně přiblížily lidské verzi mikrocefalie. A stejně jako u lidské mikrocefalie se kortikální tloušťka nezměnila.
Klíč k vývoji mozku
Vedle navrhování nového a užitečného modelu pro lidskou mikrocefalii vědci také ponořili své prsty do mnohem neřešitelného problému: jak jsme vyvinuli takové velké mozky?
Zkoumali, jak ztráta Apsmu ovlivnila mozek fretek tak, jak to udělala. Vady byly sledovány zpět ke změnám ve způsobu, jakým se chovaly radiální gliové buňky.
Radiální gliové buňky se vyvíjejí z neuroepiteliálních buněk, které jsou kmenovými buňkami nervového systému. Ty jsou schopné se vyvinout do řady různých typů buněk v kůře.
Počínaje poblíž rozvíjejících se mozkových komor se radiální gliové buňky pohybují směrem k formující se kůře. Jak se tyto buňky vzdalují od svého počátečního bodu, pomalu ztrácejí schopnost vyvinout se v různé typy mozkových buněk.
Tým zjistil, že nedostatek Apsm způsobil, že se radiální gliové buňky snadněji oddělily od komor, a zahájily migraci brzy.
Jakmile bylo načasování vypnuto, poměr radiálních gliových buněk k jiným buněčným typům zběsil, což mělo za následek méně nervových buněk v kůře. Apsm působí jako regulátor, vytočí nahoru nebo dolů celkový počet kortikálních neuronů. A zde je klíč k vývoji lidského mozku.
"Příroda musela vyřešit problém se změnou velikosti lidského mozku, aniž by musela celou věc přepracovat."
Byoung-Il Bae
Apsm tímto způsobem mění vývoj mozku ovlivněním funkce centriolů nebo buněčných struktur podílejících se na dělení buněk. Bez Apsm nedokáží centrioli svou práci správně.
V poslední době prošlo evolučními změnami několik genů podílejících se na regulaci proteinů centriolu, včetně Apsm. Dr. Walsh věří, že to mohou být tyto geny, které nás odlišují od šimpanzů nebo našich vzdálených bratranců neandertálců.
"Při zpětném pohledu to dává smysl," říká doktor Walsh. "Geny, které spojily naše mozky během vývoje, musely být geny, které evoluce vylepšila, aby naše mozky byly větší."
Změnou tohoto jednoho genu lze změnit migraci radiálních gliových buněk a zvětšit mozkovou kůru. Tyto studie poskytují nový model pro mikrocefalii a nový pohled na původ našeho vybouleného mozku.
