הבנת היווצרות דפוס cerebellar

אני קתי מילן. אני פרופסור משנה באוניברסיטת שיקגו במחלקה לגנטיקה אנושית וגם במחלקה לנוירולוגיה. ואני עובד על התפתחות המוח, ובאופן ספציפי אני עובד על התפתחות סר באטלר, המוח הקטן, החלק של המוח כאן בחלק האחורי של הגולגולת.

והוא מפורסם בעיקר בזכות תפקידו בהתפתחות מוטורית, אבל מסתבר שהוא מעורב בהרבה דברים. וזה חלק מעניין מאוד במוח: היווצרות דפוסים היא התפתחות של דפוסים במערכת ביולוגית. וזו אחת מהמילים האלה שביולוגים התפתחותיים משתמשים בהן בצורה מעוכה כדי להתכוון כמעט לכל דבר.

ולא ממש ברור מה זה אומר. אני חושב שכל ביולוג התפתחותי היה נותן לך גרסה אחרת של מה זה אומר עבורי. מה שזה אומר הוא איך המוח, או במיוחד המוח הקטן, יודע מלמעלה ומלמטה, איך, איך אתה מגדיר שמאל וימין?

איך אתה מחליט איזה חלק של המבנה הולך להיות, איזה חלק? וברגע שקיבלתם את ההחלטות העובריות המוקדמות הקריטיות והבסיסיות האלה, איך אתם מאחדים את כל המבנה התאי כדי ליצור את החלק המעוצב להפליא של המוח שאנו מכנים המוח הקטן? אז אנחנו באמת מתעניינים בהתפתחות המוח הקטן ובמידע על דפוסים במוח הקטן המתפתח.

מכיוון שהמוח הקטן הוא רקמה מעוצבת להפליא. אין בו כל כך הרבה שכבות תאים ולא כל כך הרבה סוגי תאים. אז יחסית לחלקים אחרים של המוח, זה במיוחד, ובכן, זה מבנה פשוט יחסית.

וגם בגלל שלמוח הקטן יש תפקיד מאוד ספציפי, או שאחד הפונקציות הרבות הוא קואורדינציה מוטורית. כאשר לעכברים או לבני אדם יש הפרעות במוח הקטן, אחד הפנוטיפים המתקבלים הוא חוסר קואורדינציה מוטורית. וכך, במהלך מאה השנים בערך של הגנטיקה של העכברים, היו כמה מוטציות ספונטניות של עכברים שהתגלו ואופיינו במידה מסוימת, אבל גם פשוט בודדו וישבו על המדף במעבדות ג'קסון, שם הם עכברים עם הפרעות מוטוריות.

ומספר גדול מהעכברים האלה, אני חושב שיש יותר מ-60 זנים ספונטניים עם הפרעות התפתחותיות במוח הקטן. והמשאב הזה הוא משאב עשיר בעל ערך רב כדי לבחון מהם המנגנונים ההתפתחותיים המניעים את היווצרות דפוסי המוח הקטן. אז דבר אחד שהמעבדה שלי מתמקדת בו הוא לקחת את כל הכלים שיש לנו מפרויקט הגנום האנושי ופרויקט הגנום של העכברים, ולהשתמש בריאגנטים המולקולריים האלה כדי למצוא את הגנים המוטנטיים בכל המוטציות הספונטניות האלה.

ועל ידי מציאת המוטציות האלה, אנו נוקטים בגישה ממוקדת פנוטיפ למציאת גנים. אז אנחנו לא לוקחים גנים באופן אקראי ומחסלים אותם. אנו מוצאים פנוטיפים ומוצאים את הגנים מכיוון שעל ידי שימוש בגישה זו, אנו מוצאים באופן ספציפי גנים הרלוונטיים במיוחד למערכת המעניינת.

אז המעבדה שלנו ומעבדות רבות אחרות שיבטו כמה מהמוטציות הספונטניות הללו של עכברים. והמוטציות הספונטניות האלה של העכברים הובילו לביולוגיה חדשה ומעניינת באמת. כי אנחנו נוקטים בגישה המונעת על ידי פנוטיפ.

אין לנו דעות קדומות לגבי סוג הגנים שאנחנו הולכים למצוא. אנחנו לא מחפשים ספציפית אנלוגים של דאל הו או מוטציות ערוצים. אנחנו מגיעים לגנים שהפנוטיפים מכתיבים.

ובגלל זה, אנחנו לומדים הרבה ביולוגיה חדשה. כך למשל, אחד הגנים או אחד הפנוטיפים שהמעבדה שלי עבדה עליהם ויחד כשהייתי פוסט-דוקטורנט עם עמית אחר, ג'ים ליניג, עבדנו על מוטציה של עכבר בשם dre, שפירושו בגרמנית ספינר או מסתובב כמו צמרת. ומוטציות העכברים הללו הופיעו לראשונה ב-1929 בגרמניה והצטברו במעבדות ג'קסון.

ישנם אללים מרובים של הלוקוס הספציפי הזה, והיה ידוע שהמוח הקטן נוצר בצורה שגויה. אז כל סוגי תאי המוח הקטן היו שם, אבל הדפוס של המוח הקטן היה לא נורמלי. החלק האמצעי היה חסר את החלק האמצעי שנקרא verus.

וגילינו שהיה פנוטיפ עוברי מוקדם בעכברים האלה שהוביל לפנוטיפ הבוגר הזה. והפנוטיפ היה תוצאה של מוטציה בגן שנקרא LMX one A, ראשי תיבות של תחום הומאו גפיים המכיל תיבה אחת. אז L LMX אחד גן A למעשה הופך לגן ממש מעניין וחשוב בביולוגיה התפתחותית מכיוון שהוא אחד הגנים הקריטיים ביותר בהגדרת מה קורה במערכת העצבים המרכזית או מה גבי.

ובלי המוטציה הנדירה הזו, אף אחד לא באמת ידע מה הגן הזה עושה. למעשה, הוא נמצא מסיבות אחרות בתאים המייצרים אינסולין בלבלב. ואנשים אחרים חקרו אותו בשל תפקידו הפוטנציאלי בסוכרת.

אבל למעשה, מתברר של-LMX מזדקן כשלעצמו אין תפקיד בהתפתחות הלבלב או בהתפתחות תאי העין. ולמעשה, תפקידו העיקרי בהתפתחות הוא הנעת דפוס גבי במערכת העצבים המרכזית. כששיבטנו לראשונה את הגן DR, הגן LMX One A, הבנו שהוא מתבטא רק בחלק הגבי של מערכת העצבים המרכזית.

ולמעשה, זה לא מתבטא רק בחלק הגבי של מערכת העצבים המרכזית או בלוח הגג שהוא נקרא ממש סביב המוח הקטן. זה למעשה מתבטא בחלק הגבי של העצב המרכזי לאורך כל האורך הצירי של עובר העכבר. ולמעשה, זה מתבטא לאורך כל האורך הצירי של כל בעל חוליות שהסתכלנו עליו עד כה.

ומכיוון שהוא מתבטא בגב בכל מקום, הסקנו שחייב להיות לו תפקיד גבי בחלקים אחרים של מערכת העצבים המרכזית. וכך למעשה בילינו זמן רב באפיון הפנוטיפ של עכברי DR בחוט השדרה מכיוון שחוט השדרה הוא למעשה מערכת מודל הרבה יותר טובה להבנת התפתחות מערכת העצבים המרכזית מאשר המוח הקטן מכיוון שהוא הרבה פחות מסובך מבחינה תלת מימדית. יש לו הרבה פחות מבנה תלת מימדי.

כשעברנו לגוזל, הצלחנו למעשה לנצל מספר רב של ריאגנטים כדי להבין מה התפקיד של LMX אחד A בחוט השדרה. ומחוט השדרה, עברנו בחזרה למוח הקטן. ולמען האמת, אני לא חושב שללא הטכנולוגיה של אפרוחים, באמת היינו מבינים היטב מה עושה הגן LMX, פוסט-דוקטורנט במעבדה שלי, ויקטור צ'יקו, היה האדם שבאמת לקח את הניסויים האלה ורץ איתם.

והוא היה האדם שלמעשה הבין מה עושה הגן LMX, ואת תפקידו העיקרי במערכת העצבים המרכזית על ידי שימוש במערכת האלקטרופורציה של צ'יק. ואני באמת לא חושב שהיינו יכולים להתקדם כמו שעשינו בלי אלקטרופורציה של אפרוחים. אז אלקטרופורציה של אפרוח היא טכנולוגיה בעלת ערך רב מכיוון שאתה יכול לבטא גנים במהירות במערכת העצבים המתפתחת של אפרוחים, לקבל תוצאה לאחר יומיים או שלושה של דגירה ולקבל פנוטיפים הניתנים לניתוח.

אם היית מנסה לבצע מניפולציות גנטיות בעכברים עבור בעלי חיים מהונדסים זה היה לוקח כמה חודשים ולנוקאאוט, וכו', זה היה לוקח לפחות שנה וחצי. ולכן מערכת הגוזלים היא מערכת בעלת ערך רב מכיוון שאתה יכול לתמרן את ביטוי הגנים ואתה יכול לגלות פנוטיפים במהירות. לכן ההזדקנות של LMX כאשר היא מתבטאת יתר על המידה במערכת העצבים המתפתחת של הגוזל, בפרט, בחוט השדרה המתפתח, גרמה לכל החלק הגבי של מערכת העצבים המרכזית או חוט השדרה להפוך לחלק הגבי של מערכת העצבים המרכזית או לוחית הגג.

אז מה שזה אמר לנו בשילוב עם כמה ניסויים אחרים שוויקטור עשה היה ש-LMX one A לבדו אחראי להנעת כל תוכנית הבידול של לוחית הגג. וזה חשוב מכיוון שלוחית הגג היא מרכז איתות קריטי במערכת העצבים המתפתחת. אם אין לך לוחית גג, אתה לא מפריש מורפוגן כדי להורות לתאי צינור עצביים סמוכים להפוך לנוירונים חושיים גביים.

וללא האותות האלה, התאים האלה נכנסים למצב ברירת מחדל של סוג תא ביניים. ואתה מאבד את רוב הנוירונים הגביים בחוט השדרה, אבל גם במוח הקטן המתפתח. ואני לא חושב שהיינו יכולים להגיע למסקנה הזו בקלות באמצעות כל מערכת אחרת מלבד הצינור העצבי של התרנגולת.

אנחנו מאוד מתעניינים בהתפתחות המוח הקטן, לא רק בגלל הביולוגיה הבסיסית במערכות העכברים וגם בגוזל, אלא גם לבני אדם יש מומים במוח הקטן. והמומים המוחיים האנושיים האלה ממש לא מובנים היטב. וכך, בשיתוף פעולה עם עמיתו, ד"ר ויליאם דובינס, אחד המומחים העולמיים למומים במוח האנושי, יזמנו יחד פרויקט למציאת גנים של מומים במוח האנושי.

ואנחנו נוקטים בכמה גישות. אחד הדברים הגדולים ביותר שעשינו הוא שבנינו מאגר דנ"א ומאגר קליני שבו גייסנו למעלה מ-500 חולים עם מומים מוגדרים במוח הקטן האנושי ואספנו תמונות של MRI וגם התאמנו אותם עם דגימות דנ"א כדי שנוכל להשתמש בזה כמשאב לציד גנים, כי מתברר שמומים במוח הקטן האנושי אינם מסווגים היטב בכלל. והייתי אומר בכנות שמתוך כל 10 סריקות שאנו מקבלים במהלך המחקרים שלנו, לפחות אחת מהסריקות הללו היא מום כלשהו שמעולם לא תואר ולא באמת זוהה בעבר.

המום המוחי האנושי הנפוץ ביותר נקרא מום דנדי ווקר, והוא המוכר ביותר על ידי רופאים. אבל מתברר שזה סוג של אבחון זבל של עולם המוח הקטן האנושי. כל רופא או רופאים רבים, כאשר הם רואים מוח קטן לא תקין המסווג כדנדי ווקר.

וכך אנו מגייסים מטופלים למחקר המומים של דנדי ווקר, ואנו מוצאים כל מיני מומים מעניינים במוח הקטן. אז אנחנו משתמשים במשאב הזה כדי למצוא גנים התפתחותיים חדשים במוח הקטן, כי כביולוג התפתחותי, מה שאני חושב הוא שבני אדם הם ניסוי מוטגנזה אחד גדול. הם מקור נהדר למציאת גנים התפתחותיים חדשים.

אז אנחנו נוקטים בכמה גישות כדי למצוא את הגנים האלה. אחת הגישות הללו היא לקחת גנים שגילינו בעכברים שיש להם תפקידים בהתפתחות המוח הקטן ובריצוף הגנים האלה בבני אדם. ולמעשה, רק לאחרונה זיהינו את המוטציה האנושית הראשונה של LMX One A.

עד כה היו יישומים מוגבלים מאוד של המחקר המדעי הבסיסי שלנו במחקר קליני. אבל זה באמת משתנה במהירות. כאשר אנו מוצאים גנים חדשים וחדשים, אנו יכולים לספק מידע חדש על ייעוץ גנטי למשפחות של ילדים שנפגעו.

ולמען האמת, זה המקום שבו אני רואה את ההשפעה הגדולה ביותר של המחקר שלנו. אז החזון שלי לתחום של חמש שנים בחמש שנים הוא שהרבה יותר גילוי גנים יתרחש גם על ידי אפיון מודלים של עכברים וגם על ידי עבודה על מומים במוח הקטן האנושי. אנו הולכים לדעת יותר על מערך הגנים המעורבים בהתפתחות המוח הקטן.

ואז המטרה צריכה להיות איך הגנים האלה מתקשרים זה עם זה, ואיך הגנים האלה מניעים את הביולוגיה האמיתית? כיצד הם מניעים את כל האירועים התאיים השונים המתרחשים כדי ליצור מוח קטן? ואני חושב שהמוח הקטן הוא באמת מודל אידיאלי לכל מערכת העצבים המרכזית מכיוון שלמען האמת, יש רק חמישה עד שבעה סוגים עיקריים של תאים עצביים.

כולם מסודרים בצורה סטריאוטיפית שונה. אנו לומדים יותר ויותר על המולקולות המניעות את המפרט ואת ההתמיינות המוקדמת של האבות הקדמונים הללו. אנחנו מבינים יותר ויותר כיצד התאים האלה מתרבים.

אז אני חושב שבעוד יותר מחמש שנים מהיום, אבל בסופו של דבר אני רואה את התחום מסוגל להתפתח כל הדרך דרך התפתחות המוח הקטן כדי להשיג את הצורה הבוגרת של המוח הקטן. ואני חושב שמכיוון שהמוח הקטן הוא מערכת פשוטה יחסית, יש לנו תקווה להבין את המולקולות ואת האירועים ההתפתחותיים שמניעים את היווצרות כל מרכז המוח הקטן. ואני חושב שזה באמת חשוב, לא רק לתחום האבחון הגנטי בבני אדם, וזה חשוב לתחום ההתפתחות של המוח הקטן, אלא אני חושב שיהיו לנו יישומים של המנגנונים האלה גם בחלקים אחרים של המוח.

המוח הקטן הוא מבנה פשוט יחסית, אבל רבים מאירועי ההתפתחות לא הולכים להיות בלעדיים למוח הקטן. אנו יכולים לקחת את מה שלמדנו מהמוח הקטן לאזורים מורכבים יותר של מערכת העצבים המרכזית כמו קליפת המוח, ולקחת את השיעורים ואת המסלולים שלמדנו ולהבין כיצד הם חלים על שאר המוח.