小脳パターン形成を理解する

キャシー・ミランです。私はシカゴ大学の人類遺伝学部と神経科の助教授です。そして、私は脳の発達、特にセレ・バトラーの発達、小脳、頭蓋骨の後ろにある脳の部分に取り組んでいます。

そして、それは運動発達におけるその役割で最も有名ですが、それは多くのことに関与していることがわかりました。そして、それは脳のパターン形成の非常に興味深い部分です:パターン形成は、生物学的システムにおけるパターンの発達です。そして、これは発生生物学者がほとんど何でも意味するために、ふにゃふにゃした言い方で使う言葉の一つです。

そして、それが何を意味するのかはよくわかっていません。すべての発生生物学者は、それが私にとって何を意味するかについて、あなたに異なるバージョンを与えると思います。それが意味するのは、脳、特に小脳は、どのようにして上と下から、どのように左と右を定義する

構造のどの部分をどの部分にするかは、どのように決定しますか?そして、これらの重要で基本的な初期胚の決定を下すと、どのようにしてすべての細胞構造をまとめて、私たちが小脳と呼ぶ脳の絶妙なパターンの部分を形成するのでしょうか?ですから、私たちは発達中の小脳の発達とパターン情報に非常に興味があります。

なぜなら、小脳は絶妙な模様の組織だからです。細胞層も細胞の種類もそれほど多くありません。ですから、脳の他の部分と比べると、特に、まあ、比較的単純な構造です。

また、小脳には非常に特殊な機能がある、または多くの機能のうちの1つが運動協調であるためです。マウスやヒトに小脳の異常がある場合、結果として生じる表現型の1つは運動協調性の欠如です。そして、マウスの遺伝学の100年ほどの間に、発見され、ある程度特徴付けられた複数の自発的なマウス変異体が存在してきましたが、ジャクソン研究所の棚に単離されて座っているだけで、運動異常のあるマウスでもあります。

そして、それらのマウスの多くは、約60以上の自然発生株が小脳の発達異常を持っていると思います。そして、そのリソースは、小脳パターン形成を促進する発達メカニズムが何であるかを調べるための非常に貴重な豊富なリソースです。ですから、私の研究室が注力していることの一つは、ヒトゲノムプロジェクトとマウスゲノムプロジェクトから持っているすべてのツールを取り出し、それらの分子試薬を使用して、すべての自然変異体で変異変異体である遺伝子を見つけることです。

そして、それらの突然変異体を見つけることで、遺伝子を見つけるために表現型中心のアプローチを取ります。ですから、私たちはランダムに遺伝子を取り出してノックアウトしているわけではありません。表現型や遺伝子を見つけているのは、そのアプローチを使用することで、関心のあるシステムに特に関連する遺伝子を具体的に見つけることができるからです。

ですから、私たちの研究室や他の多くの研究室では、これらの自然発生的なマウス変異体の数々をクローン化しています。そして、これらの自発的なマウスの突然変異体は、非常に興味深い新しい生物学につながりました。なぜなら、私たちはこの表現型主導のアプローチを取っているからです。

私たちは、どのような遺伝子を見つけるのかについて先入観を持っているわけではありません。私たちは特にダルホアナログやチャネル変異を探しているわけではありません。私たちは、表現型が指示する遺伝子にたどり着いています。

そのため、私たちは多くの新しい生物学を学んでいます。例えば、私の研究室で取り組んだ遺伝子や表現型の1つや、私がポスドクだったときに、もう一人の同僚であるジム・リニッヒと一緒に、ドイツ語でスピナーやコマのように回転するという意味のdreというマウスの突然変異体に取り組みました。そして、これらのマウス変異体は1929年にドイツで初めて発生し、ジャクソン研究所に蓄積されてきました。

この特定の遺伝子座には複数の対立遺伝子があり、小脳が誤って形成されていることが知られていました。つまり、すべての小脳細胞の種類がそこにあったのですが、小脳のパターンは異常でした。真ん中の部分には、ヴェルスと呼ばれる真ん中の部分が欠けていました。

そして、これらのマウスには、その成体の表現型につながる初期胚の表現型があることを発見しました。そして、その表現型は、ボックスワンを含む四肢ホメオドメインの略であるLMX one Aと呼ばれる遺伝子の突然変異の結果でした。L LMX one A遺伝子は、中枢神経系で何が起こっているのか、または背側とは何かを定義する上で最も重要な遺伝子の1つであるため、実際には発生生物学において非常に興味深く重要な遺伝子に変換されています。

そして、このまれな突然変異がなければ、この遺伝子が何をしているのか、誰も実際に知らなかったのです。実際、それは他の理由で膵臓のインスリン産生細胞で発見されていました。そして、他の人々は糖尿病における潜在的な役割についてそれを研究していました。

しかし実際には、LMXの1つの老化は、それ自体では膵臓の発達やアイレット細胞の発達に何の役割も持たないことがわかりました。そして実際、その開発における主な役割は、中枢神経系の背側パターン化を促進することです。DR遺伝子、LMX one A遺伝子を初めてクローニングしたとき、それが中枢神経系の背側部分でのみ発現していることに気づきました。

そして実際、それは中枢神経系の背側部分や、小脳のすぐ周りと呼ばれる屋根板だけで発現しているわけではありません。実際には、マウス胚の軸方向全体に沿って中枢神経の背側部分に発現しています。実際、これまでに見てきたすべての脊椎動物の軸方向の全長に沿って表現されています。

そして、それはどこにでも背側に発現しているため、中枢神経系の他の部分で背側に役割を果たしているに違いないと推論しました。ですから、脊髄におけるDRマウスの表現型の特徴を明らかにするために、実際には多くの時間を費やしました。なぜなら、脊髄は実際には小脳よりもはるかに優れたモデルシステムであり、三次元的に複雑ではないためです。3次元構造がかなり少なくなっています。

ひよこに話を移すと、実際には多数の試薬を利用して、LMX one Aが脊髄でどのような役割を果たしているのかを理解することができました。そして、脊髄から小脳に戻りました。率直に言って、chick ationの技術がなければ、LMXの遺伝子が何をするのかを深く理解することはできなかったと思います。私の研究室のポスドクであるVictor Chikoは、これらの実験を実際に行い、実行した人物でした。

そして、彼は実際にLMXの遺伝子が何をするのか、そしてChickエレクトロポレーションシステムを使用して中枢神経系におけるその主要な役割を理解した人物でした。そして、正直なところ、ひよこのエレクトロポレーションがなければ、これほどの進歩を遂げることはできなかったと思います。ですから、チックエレクトロポレーションは、発育中のニワトリの神経系で遺伝子を急速に過剰発現させ、2、3日間のインキュベーション後に結果を得て、分析可能な表現型を得ることができるので、非常に価値のある技術です。

実際にマウスで遺伝子操作を試み、トランスジェニック動物の場合、数か月かかり、ノックアウトなどの場合、少なくとも1年半かかります。ですから、ひよこイオンシステムは、遺伝子発現を操作し、表現型を迅速に見つけることができるので、非常に価値のあるシステムです。そのため、LMXは、発達中のひよこの神経系、特に発達中の脊髄で過剰に発現すると老化し、中枢神経系の背側全体または脊髄が中枢神経系の背側部分または屋根板に変わる原因となりました。

そして、ビクターが行った他の多くの実験と組み合わせて、LMX one A自体がルーフプレートの微分プログラム全体を駆動する役割を担っていることが分かりました。これは、ルーフプレートが発達中の神経系における重要なシグナル伝達中枢であるため、重要なことです。屋根板がなければ、隣接する神経管細胞に背側感覚ニューロンに変わるように指示するモルフォゲンを分泌しません。

そして、これらのシグナルがないと、それらのセルは中間セルタイプのデフォルトの状態になります。そして、背側ニューロンのほとんどを脊髄で失うだけでなく、実際には発達中の小脳でも失われます。そして、ニワトリの神経管以外のシステムを使用しても、その結論にたどり着くことは容易ではなかったと思います。

私たちは、マウスシステムやニワトリの基本的な生物学だけでなく、人間にも小脳の奇形があることから、小脳の発達に本当に興味があります。そして、それらの人間の小脳奇形は本当によく理解されていません。そこで、ヒト脳奇形の世界的専門家の一人であるウィリアム・ドビンズ博士と共同で、ヒトの脳奇形遺伝子を見つけるプロジェクトを開始しました。

そして、私たちはいくつかのアプローチを取っています。私たちが行った最大のことの一つは、DNAデータベースと臨床データベースを構築し、定義されたヒト小脳奇形を持つ500人以上の患者を募集し、MRIの画像を収集し、それらをDNAサンプルと相関させることで、ヒトの小脳奇形がまったくうまく分類されていないことが判明したため、それを遺伝子探索のリソースとして使用できるようにしたことです。そして、正直なところ、私たちの研究を通じて受ける10回のスキャンのうち、少なくとも1回は、これまでに説明されたことのない、そして実際には認識されていない奇形である

最も一般的な人間の小脳奇形はダンディウォーカー奇形と呼ばれ、臨床医によって最も認識されているものです。しかし、それは人間の小脳世界のゴミのような診断であることが判明しました。どんな医師でも、多くの医師でも、異常な小脳がダンディウォーカーに分類されているのを見たとき。

そこで、ダンディ・ウォーカー奇形研究に患者を募集し、あらゆる種類の興味深い小脳奇形を発見しました。ですから、私たちはこのリソースを使って新しい小脳発生遺伝子を見つけています、なぜなら、発生生物学者として私が考えているのは、人間は一つの大きな突然変異誘発実験であるということです。それらは、新しい発生遺伝子を見つけるための優れた情報源の1つです。

ですから、私たちはこれらの遺伝子を見つけるためにいくつかのアプローチを取っています。そのアプローチの一つが、マウスで見つけた小脳の発達に関与する遺伝子を採取し、その遺伝子をヒトで配列決定することです。そして実際、私たちはつい最近、最初のヒトLMX one A変異を特定しました。

これまでのところ、私たちの基礎科学研究を臨床研究に応用することは非常に限られていました。しかし、それは本当に急速に変化しています。新しい遺伝子が見つかるにつれて、影響を受けた子供の家族に新しい遺伝カウンセリング情報を提供することができます。

率直に言って、それが私たちの研究の最大の影響を私が見ているところです。ですから、5年後の5年という分野での私のビジョンは、マウスモデルの特性評価とヒトの小脳奇形の研究の両方によって、さらに多くの遺伝子発見が起こるということです。私たちは、小脳の発達に関与する遺伝子のセットについてもっと知るでしょう。

そして、その目標は、それらの遺伝子がどのように相互作用し、それらの遺伝子がどのように実際の生物学を駆動するのかということでなければならないのです。彼らはどのようにして小脳を作るために起こるすべての異なる細胞イベントを駆動するのでしょうか?そして、小脳は中枢神経系全体にとって理想的なモデルだと思います。なぜなら、率直に言って、主要なニューロン細胞の種類は5〜7種類しかないからです。

それらはすべて、さまざまなステレオタイプな方法で配置されています。私たちは、仕様を駆動する分子と、それらの祖先の早期の分化について、ますます多くのことを学んでいます。私たちは、これらの細胞がどのように増殖するかについて、ますます理解しています。

ですから、今から5年以上先だと思いますが、最終的には、この分野は小脳の成熟した形を達成するために、小脳の発達を通じてチューブの発達を進めることができると考えています。そして、小脳は比較的単純なシステムであるため、小脳全体の中枢全体の形成を推進する分子と発生事象を実際に解明する希望があると思います。これは、ヒトの遺伝子診断の分野だけでなく、小脳の発達の分野にとっても重要であり、これらのメカニズムを脳の他の部分にも応用できるようになると思います。

小脳は比較的単純な構造ですが、発達イベントの多くは小脳に限定されるわけではありません。小脳から学んだことを、大脳皮質のような中枢神経系の他のより複雑な領域に持ち込み、学んだ教訓や経路を取り入れて、それらが脳の他の部分にどのように適用されるかを理解することができます。