فهم مخيخي تشكيل نقش

أنا كاثي ميلان. أنا أستاذ مساعد في جامعة شيكاغو في قسم علم الوراثة البشرية وأيضا في قسم علم الأعصاب. وأنا أعمل على تنمية الدماغ، وبشكل خاص أعمل على تطوير سيري بتلر، المخيخ، جزء من الدماغ هنا في الجزء الخلفي من الجمجمة.

وهي تشتهر بدورها في تطوير المحركات ، ولكن اتضح أنها متورطة في الكثير من الأشياء. وهو جزء مثير للاهتمام حقا من تكوين النمط في الدماغ هو تطوير النمط في النظام البيولوجي. وهي إحدى هذه الكلمات التي يستخدمها علماء الأحياء التنموية بطريقة اسفنجية لتعني أي شيء تقريبا.

وليس من الواضح حقا ما يعنيه. أعتقد أن كل عالم أحياء تنموي سيعطيك نسخة مختلفة عما يعنيه بالنسبة لي. ما يعنيه هو كيف يعرف الدماغ ، أو المخيخ على وجه الخصوص ، من الأعلى والأسفل ، كيف ، كيف تعرف اليسار واليمين؟

كيف تقرر أي جزء من الهيكل سيكون ، أي جزء؟ وبمجرد اتخاذ تلك القرارات الجنينية المبكرة الحاسمة والأساسية ، كيف تجمع كل البنية الخلوية معا لتشكيل الجزء المزخرف بشكل رائع من الدماغ الذي نسميه المخيخ؟ لذلك نحن مهتمون حقا بتطور المخيخ ومعلومات النمط في المخيخ النامي.

لأن المخيخ هو نسيج منقوش بشكل رائع. ليس لديها الكثير من طبقات الخلايا وليس العديد من أنواع الخلايا. لذا بالنسبة لأجزاء أخرى من الدماغ ، فهي على وجه الخصوص ، حسنا ، إنها بنية بسيطة نسبيا.

وأيضا لأن المخيخ له وظيفة محددة للغاية ، أو أن إحدى الوظائف العديدة هي التنسيق الحركي. عندما يكون لدى الفئران أو البشر تشوهات في المخيخ ، فإن أحد الأنماط الظاهرية الناتجة هو عدم التنسيق الحركي. وهكذا على مدى مائة عام أو نحو ذلك من علم الوراثة للفئران ، كان هناك العديد من طفرات الفئران العفوية التي تم اكتشافها وتمييزها إلى حد ما ، ولكن أيضا معزولة فقط وتجلس على الرف في مختبرات جاكسون حيث تكون فئران مصابة بتشوهات حركية.

وأعتقد أن هناك أكثر من 60 سلالة عفوية تعاني من تشوهات في النمو المخيخي. وهذا المورد هو مورد غني قيم حقا للنظر في الآليات التنموية التي تدفع تكوين نمط المخيخ. لذا فإن هناك شيء واحد يركز عليه مختبري هو أخذ جميع الأدوات التي لدينا من مشروع الجينوم البشري ومشروع جينوم الفأر ، واستخدام تلك الكواشف الجزيئية للذهاب والعثور على الجينات المتحولة في كل تلك الطفرات العفوية.

ومن خلال العثور على تلك الطفرات ، فإننا نتبع نهجا مركزيا على النمط الظاهري لإيجاد الجينات. لذلك نحن لا نأخذ الجينات بشكل عشوائي ونقضي عليها. نحن نجد الأنماط الظاهرية ونوجد الجينات لأنه باستخدام هذا النهج ، نجد على وجه التحديد الجينات ذات الصلة بشكل خاص بالنظام ذي الاهتمام.

لذلك قام مختبرنا والعديد من المختبرات الأخرى باستنساخ عدد من طفرات الفئران العفوية. وقد أدت طفرات الفئران العفوية إلى بيولوجيا جديدة مثيرة للاهتمام حقا. لأننا نتبع هذا النهج المدفوع بالنمط الظاهري.

ليس لدينا أي تصورات مسبقة حول نوع الجينات التي سنجدها. نحن لا نبحث على وجه التحديد عن نظائر dal ho أو طفرات القناة. نحن نصل إلى الجينات التي تمليها الأنماط الظاهرية.

وبسبب ذلك ، نحن نتعلم الكثير من علم الأحياء الجديد. على سبيل المثال ، أحد الجينات أو أحد الأنماط الظاهرية التي عمل عليها مختبري ومعا عندما كنت باحثا في مرحلة ما بعد الدكتوراه مع زميل آخر ، جيم لينيغ ، عملنا على طفرة فأر تسمى dre ، وهي ألمانية تعني الدوار أو الغزل مثل القمة. ونشأت طفرات الفئران هذه لأول مرة في عام 1929 في ألمانيا وتتراكمت في مختبرات جاكسون.

هناك أليلات متعددة لهذا الموضع المعين ، وكان من المعروف أن المخيخ قد تم تشكيله بشكل غير صحيح. لذلك كانت جميع أنواع الخلايا المخيخية موجودة ، لكن نمط المخيخ كان غير طبيعي. كان الجزء الأوسط يفتقد الجزء الأوسط المسمى verus.

واكتشفنا أن هناك نمطا ظاهريا جنينيا مبكرا في هذه الفئران أدى إلى هذا النمط الظاهري البالغ. وكان النمط الظاهري نتيجة طفرة في جين يسمى LMX one A ، والذي يرمز إلى مجال تمايل الأطراف الذي يحتوي على المربع الأول. لذا فإن L LMX واحد A الجين يتحول في الواقع إلى جين مثير للاهتمام ومهم حقا في علم الأحياء التنموي لأنه أحد أهم الجينات في تحديد ما هو موجود في الجهاز العصبي المركزي أو ما هو ظهري.

وبدون وجود هذه الطفرة النادرة ، لم يعرف أحد في الواقع ما يفعله هذا الجين. في الواقع ، تم العثور عليه لأسباب أخرى في الخلايا المنتجة للأنسولين في البنكرياس. وكان أشخاص آخرون يدرسونها بحثا عن دور محتمل في مرض السكري.

ولكن في الواقع ، اتضح أن LMX الذي يتقدم في السن في حد ذاته ليس له دور في تطور البنكرياس أو تطور خلايا العيينة. وفي الواقع ، يتمثل دورها الرئيسي في التطور في قيادة الزخرفة الظهرية في الجهاز العصبي المركزي. عندما قمنا باستنساخ جين DR لأول مرة ، الجين LMX one A ، أدركنا أنه يتم التعبير عنه فقط في الجزء الظهري من الجهاز العصبي المركزي.

وفي الواقع ، لا يتم التعبير عنه فقط في الجزء الظهري من الجهاز العصبي المركزي أو صفيحة السقف التي يطلق عليها حول المخيخ. يتم التعبير عنه في الواقع في الجزء الظهري من الجهاز العصبي المركزي على طول الطول المحوري لجنين الفأر. وفي الواقع، يتم التعبير عنها على طول الطول المحوري الكامل لكل فقاريات نظرنا إليها حتى الآن.

ولأنه يتم التعبير عنه ظهريا في كل مكان، استنتجنا أنه يجب أن يكون له دور ظهري في أجزاء أخرى من الجهاز العصبي المركزي. ولذا فقد أمضينا الكثير من الوقت في توصيف النمط الظاهري للفئران DR في الحبل الشوكي لأن الحبل الشوكي هو في الواقع نظام نموذجي أفضل بكثير لفهم تطور الجهاز العصبي المركزي من المخيخ لأنه أقل تعقيدا من الناحية الثلاثية الأبعاد. لديها هيكل ثلاثي الأبعاد أقل بكثير.

بالتحول إلى الفرخ ، تمكنا بالفعل من الاستفادة من عدد كبير من الكواشف لمعرفة دور LMX one A في النخاع الشوكي. ومن الحبل الشوكي ، عدنا إلى المخيخ. وبصراحة ، لا أعتقد أنه بدون تقنية الفرخ ، كان لدينا حقا فهم رائع لما يفعله LMX واحد من الجين ، كان باحث ما بعد الدكتوراه في مختبري ، فيكتور تشيكو ، هو الشخص الذي أجرى هذه التجارب حقا وركض معها.

وكان هو الشخص الذي اكتشف بالفعل ما يفعله LMX واحد الجين ، ودوره الأساسي في الجهاز العصبي المركزي باستخدام نظام التثقيب الكهربائي للكتيكت. وأنا بصراحة لا أعتقد أننا كنا سنتمكن من إحراز تقدم كبير كما فعلنا بدون التثقيب الكهربائي للكتيكوت. لذا فإن التثقيب الكهربائي للكتكوت هو تقنية قيمة حقا لأنه يمكنك التعبير عن الجينات بسرعة في الجهاز العصبي النامي للكتكوت ، والحصول على نتيجة بعد يومين أو ثلاثة أيام من الحضانة والحصول على أنماط ظاهرية قابلة للتحليل.

إذا كنت ستحاول بالفعل إجراء التلاعب الجيني في الفئران للحيوانات المعدلة وراثيا ، فسيستغرق ذلك عدة أشهر والضربة القاضية ، وما إلى ذلك ، فسيستغرق ذلك عاما ونصف على الأقل. وبالتالي فإن نظام الفرخ هو نظام قيم حقا لأنه يمكنك التلاعب بالتعبير الجيني ويمكنك معرفة الأنماط الظاهرية بسرعة. لذا فإن LMX الذي يتقدم في العمر عندما يتم التعبير عنه أكثر في الجهاز العصبي النامي للكتكوت ، على وجه الخصوص ، الحبل الشوكي النامي ، تسبب في تحول الجزء الظهري بالكامل من الجهاز العصبي المركزي أو الحبل الشوكي إلى جزء ظهري من الجهاز العصبي المركزي أو صفيحة السقف.

ولذا فإن ما أخبرنا به ذلك بالاقتران مع مجموعة من التجارب الأخرى التي قام بها فيكتور هو أن LMX one A في حد ذاته مسؤول عن قيادة برنامج التمايز الكامل للوحة السقف. وهذا مهم لأن لوحة السقف هي مركز إشارات حرج في الجهاز العصبي النامي. إذا لم يكن لديك لوحة سقف ، فلن تفرز المورفوجين لإخبار خلايا الأنبوب العصبي المجاورة بالتحول إلى خلايا عصبية حسية ظهرية.

وبدون هذه الإشارات ، تنتقل هذه الخلايا إلى حالة افتراضية لنوع الخلية الوسيطة. وتفقد معظم الخلايا العصبية الظهرية في النخاع الشوكي ، في الداخل ، ولكن أيضا في الواقع في المخيخ النامي. ولا أعتقد أننا كنا سنتمكن بسهولة من التوصل إلى هذا الاستنتاج باستخدام أي نظام آخر باستثناء الأنبوب العصبي للدجاج.

نحن مهتمون حقا بتطور المخيخ ، ليس فقط بسبب علم الأحياء الأساسي في أنظمة الفئران وأيضا في الفرخ ، ولكن أيضا البشر لديهم تشوهات مخيخية. وتلك التشوهات المخيخية البشرية غير مفهومة جيدا. وهكذا بالتعاون مع زميل ، الدكتور ويليام دوبينز ، أحد خبراء العالم في تشوهات الدماغ البشرية ، معا ، بدأنا مشروعا للعثور على جينات التشوه المخيخي البشري.

ونحن نتبع عدة طرق. أحد أكبر الأشياء التي قمنا بها هو أننا قمنا ببناء قاعدة بيانات للحمض النووي وقاعدة بيانات سريرية حيث قمنا بتجنيد أكثر من 500 مريض يعانون من تشوهات مخيخية بشرية محددة وقمنا بجمع صور للتصوير بالرنين المغناطيسي وربطناها أيضا بعينات الحمض النووي حتى نتمكن من استخدام ذلك كمورد للبحث عن الجينات لأنه اتضح أن تشوهات المخيخ البشري ليست مصنفة جيدا على الإطلاق. وأود أن أقول بصراحة أنه من بين كل 10 فحوصات نتلقاها من خلال دراساتنا ، فإن واحدة على الأقل من هذه الفحوصات عبارة عن بعض التشوهات التي لم يتم وصفها مطلقا ولم يتم التعرف عليها من قبل.

يسمى التشوه المخيخي البشري الأكثر شيوعا تشوه داندي ووكر ، وهو أكثر ما يتعرف عليه الأطباء. لكن اتضح أنه نوع من تشخيص القمامة لعالم المخيخ البشري. أي طبيب أو العديد من الأطباء ، عندما يرون مخيخا غير طبيعي يصنف على أنه مشاية مدهشة.

وهكذا نقوم بتجنيد المرضى في دراسة تشوه داندي ووكر ، ونجد جميع أنواع التشوهات المخيخية المختلفة المثيرة للاهتمام. لذلك نحن نستخدم هذا المورد للعثور على جينات نمو مخيخية جديدة ، لأنه بصفتي عالم أحياء تنموي ، ما أعتقد أنه أن البشر هم تجربة كبيرة للطفرات. إنها مصدر كبير لإيجاد جينات تنموية جديدة.

لذلك نحن نتبع عدة طرق للعثور على تلك الجينات. أحد هذه الأساليب هو أخذ الجينات التي اكتشفناها في الفأر والتي لها أدوار في نمو المخيخ وتسلسل تلك الجينات في البشر. وفي الواقع ، حددنا مؤخرا أول طفرة بشرية LMX one.

حتى الآن ، كانت هناك تطبيقات محدودة حقا لأبحاثنا العلمية الأساسية في البحوث السريرية. لكن هذا يتغير بسرعة حقا. بينما نجد جينات جديدة وجديدة ، يمكننا تقديم معلومات استشارية وراثية جديدة لعائلات الأطفال المصابين.

وبصراحة ، هذا هو المكان الذي أرى فيه التأثير الأكبر لبحثنا. لذا فإن رؤيتي لمجال خمس سنوات في خمس سنوات هي أن الكثير من الاكتشاف الجيني سيحدث من خلال توصيف نماذج الفئران وأيضا من خلال العمل في التشوهات المخيخية البشرية. سنعرف المزيد عن مجموعة الجينات التي تشارك في تطور المخيخ.

ومن ثم يجب أن يكون الهدف كيف تتفاعل هذه الجينات مع بعضها البعض ، وكيف تقود هذه الجينات البيولوجيا الفعلية؟ كيف يقودون جميع الأحداث الخلوية المختلفة التي تحدث لصنع المخيخ؟ وأعتقد أن المخيخ هو حقا نموذج مثالي للجهاز العصبي المركزي بأكمله لأنه بصراحة ، لا يوجد سوى خمسة إلى سبعة أنواع من الخلايا العصبية الرئيسية.

يتم ترتيبها جميعا بطريقة نمطية مختلفة. نحن نتعلم المزيد والمزيد عن الجزيئات التي تقود المواصفات والتمايز المبكر لتلك الأسلاف. نحن نفهم المزيد والمزيد حول كيفية تكاثر هذه الخلايا.

لذلك أعتقد أنه بعد أكثر من خمس سنوات من الآن ، لكنني في النهاية أرى أن المجال قادر على تطوير الأنبوب على طول الطريق من خلال تطوير المخيخ لتحقيق الشكل الناضج للمخيخ. وأعتقد أنه نظرا لأن المخيخ نظام بسيط نسبيا ، لدينا أمل في اكتشاف الجزيئات والأحداث التنموية التي تدفع تكوين الجزء المركزي بأكمله من المخيخ بأكمله. وأعتقد أن هذا مهم حقا ، ليس فقط لمجال التشخيص الجيني لدى البشر ، وهو مهم لمجال تطور المخيخ ، لكنني أعتقد أنه سيكون لدينا أيضا تطبيقات لهذه الآليات على أجزاء أخرى من الدماغ.

المخيخ عبارة عن هيكل بسيط نسبيا ، لكن العديد من الأحداث التنموية لن تكون حصرية للمخيخ. يمكننا أن نأخذ ما تعلمناه من المخيخ إلى مناطق أخرى أكثر تعقيدا من الجهاز العصبي المركزي مثل القشرة الدماغية ، ونأخذ الدروس والمسارات التي تعلمناها ونكتشف كيف تنطبق على بقية الدماغ.