Zrozumienie powstawania wzorca móżdżku

Nazywam się Kathy Millan. Jestem adiunktem na Uniwersytecie w Chicago na Wydziale Genetyki Człowieka, a także na Wydziale Neurologii. Pracuję nad rozwojem mózgu, a konkretnie nad rozwojem Cere Butler, móżdżku, części mózgu z tyłu czaszki.

Jest najbardziej znany ze swojej roli w rozwoju motorycznym, ale okazuje się, że jest zaangażowany w wiele rzeczy. Jest to bardzo interesująca część procesu tworzenia się wzorca w mózgu. Jest to jedno z tych słów, których biolodzy rozwojowi używają w dość pokrętny sposób, aby określić prawie wszystko.

I tak naprawdę nie jest jasne, co to oznacza. Myślę, że każdy biolog rozwojowy dałby ci inną wersję tego, co to oznacza dla mnie. Oznacza to, że w jaki sposób mózg, a w szczególności móżdżek, wie z góry i z dołu, jak definiujesz lewicę i prawo?

W jaki sposób decydujesz, która część konstrukcji ma być, która część? A kiedy już podejmiesz te krytyczne, fundamentalne decyzje na wczesnym etapie embrionalnym, jak połączyć całą strukturę komórkową, aby utworzyć wspaniale wzorową część mózgu, którą nazywamy móżdżkiem? Jesteśmy naprawdę zainteresowani rozwojem móżdżku i informacjami o wzorcach w rozwijającym się móżdżku.

Ponieważ móżdżek jest tkanką o znakomitym wzorze. Nie ma tak wielu warstw komórkowych i nie ma tak wielu typów komórek. Tak więc w porównaniu z innymi częściami mózgu, jest to zwłaszcza, no cóż, jest to stosunkowo prosta struktura.

A także dlatego, że móżdżek pełni bardzo specyficzną funkcję, a jedną z wielu funkcji jest koordynacja ruchowa. Kiedy myszy lub ludzie mają nieprawidłowości móżdżku, jednym z wynikających fenotypów jest brak koordynacji ruchowej. I tak w ciągu około stu lat genetyki myszy, pojawiło się wiele spontanicznych mutantów myszy, które zostały odkryte i scharakteryzowane do pewnego stopnia, ale także po prostu wyizolowane i leżące na półce w Jackson Labs, gdzie były myszami z nieprawidłowościami motorycznymi.

Duża liczba tych myszy, myślę, że jest ich ponad 60 spontanicznych, ma nieprawidłowości rozwojowe móżdżku. Ten zasób jest naprawdę cennym, bogatym zasobem, aby przyjrzeć się, jakie są mechanizmy rozwojowe, które napędzają tworzenie się wzorca móżdżku. Jedną z rzeczy, na których skupia się moje laboratorium, jest zebranie wszystkich narzędzi, które mamy z Projektu Poznania Ludzkiego Genomu i Projektu Genomu Myszy, i użycie tych odczynników molekularnych do znalezienia genów, które są zmutowane we wszystkich tych spontanicznych mutantach.

Znajdując te mutanty, przyjmujemy podejście skoncentrowane na fenotypie do poszukiwania genów. Nie bierzemy więc losowo genów i nie wycinamy ich. Znajdujemy fenotypy i geny, ponieważ stosując to podejście, znajdujemy geny, które są szczególnie istotne dla interesującego nas systemu.

Tak więc nasze laboratorium i wiele innych laboratoriów sklonowało pewną liczbę tych spontanicznych mutantów myszy. Te spontaniczne mutanty myszy doprowadziły do powstania nowej, naprawdę interesującej biologii. Ponieważ przyjmujemy podejście oparte na fenotypie.

Nie mamy żadnych uprzedzeń co do tego, jakiego rodzaju geny znajdziemy. Nie szukamy konkretnie analogów dal ho ani mutacji kanałów. Dochodzimy do genów, które dyktują fenotypy.

Z tego powodu uczymy się dużo nowej biologii. Na przykład jeden z genów lub jeden z fenotypów, nad którymi pracowało moje laboratorium i razem, kiedy byłem na stażu podoktorskim z innym kolegą, Jimem Linigiem, pracowaliśmy nad mysim mutantem o imieniu dre, co po niemiecku oznacza błystkę lub przędzenie jak bączek. Te mysie mutanty pojawiły się po raz pierwszy w 1929 roku w Niemczech i gromadziły się w Jackson Labs.

Istnieje wiele alleli tego konkretnego locus i wiadomo było, że móżdżek został nieprawidłowo uformowany. Tak więc wszystkie typy komórek móżdżku były tam obecne, ale wzór móżdżku był nieprawidłowy. W środkowej części brakowało środkowej części zwanej verus.

Odkryliśmy, że u tych myszy istniał wczesny fenotyp embrionalny, który doprowadził do tego dorosłego fenotypu. Fenotyp był wynikiem mutacji w genie zwanym LMX one A, co oznacza domenę homeo kończyn zawierającą pudełko pierwsze. Tak więc gen L LMX, jeden z A, stał się bardzo interesującym i ważnym genem w biologii rozwojowej, ponieważ jest jednym z najbardziej krytycznych genów w definiowaniu tego, co dzieje się w ośrodkowym układzie nerwowym lub co jest grzbietowe.

A bez tej rzadkiej mutacji, nikt tak naprawdę nie wiedział, co ten gen robi. W rzeczywistości znaleziono go z innych przyczyn w komórkach produkujących insulinę w trzustce. Inni ludzie badali go pod kątem potencjalnej roli w cukrzycy.

Ale w rzeczywistości okazuje się, że starzenie się LMX samo w sobie nie odgrywa żadnej roli w rozwoju trzustki ani rozwoju komórek ocznych. W rzeczywistości jego główną rolą w rozwoju jest napędzanie wzorca grzbietowego w ośrodkowym układzie nerwowym. Kiedy po raz pierwszy sklonowaliśmy gen DR, gen LMX One A, zdaliśmy sobie sprawę, że ulega on ekspresji tylko w grzbietowej części ośrodkowego układu nerwowego.

W rzeczywistości wyraża się to nie tylko w grzbietowej części ośrodkowego układu nerwowego lub na płycie dachowej, którą nazywa się tuż wokół móżdżku. W rzeczywistości ulega ekspresji w grzbietowej części ośrodkowego układu nerwowego na całej osiowej długości zarodka myszy. W rzeczywistości jest ona wyrażona na całej długości osiowej każdego kręgowca, któremu do tej pory się przyjrzeliśmy.

A ponieważ jest wyrażony grzbietowo wszędzie, doszliśmy do wniosku, że musi odgrywać rolę grzbietowo w innych częściach ośrodkowego układu nerwowego. Spędziliśmy dużo czasu na scharakteryzowaniu fenotypu myszy DR w rdzeniu kręgowym, ponieważ rdzeń kręgowy jest znacznie lepszym modelem do zrozumienia rozwoju OUN niż móżdżek, ponieważ jest znacznie mniej skomplikowany trójwymiarowo. Ma o wiele mniej trójwymiarowej struktury.

Przechodząc do pisklęcia, byliśmy w stanie skorzystać z dużej liczby odczynników, aby dowiedzieć się, jaka jest rola LMX one A w rdzeniu kręgowym. Z rdzenia kręgowego przeszliśmy z powrotem do móżdżku. I szczerze mówiąc, nie sądzę, że bez technologii piskląt, naprawdę mielibyśmy świetne zrozumienie tego, co robi gen LMX, doktor habilitowany w moim laboratorium, Victor Chiko, był osobą, która naprawdę przeprowadziła te eksperymenty i przeprowadziła je.

To on odkrył, co robi gen LMX A i jaka jest jego podstawowa rola w ośrodkowym układzie nerwowym, używając systemu elektroporacji Chicka. I szczerze mówiąc, nie sądzę, że bylibyśmy w stanie zrobić tak duży postęp, jak to zrobiliśmy, bez elektroporacji piskląt. Tak więc elektroporacja piskląt jest naprawdę cenną technologią, ponieważ można szybko uzyskać nadekspresję genów w rozwijającym się układzie nerwowym piskląt, uzyskać wynik po dwóch lub trzech dniach inkubacji i uzyskać możliwe do analizy fenotypy.

Gdybyśmy spróbowali przeprowadzić manipulacje genami u myszy u zwierząt transgenicznych, zajęłoby to kilka miesięcy, a w przypadku nokautów, i tak dalej, zajęłoby to co najmniej półtora roku. Tak więc system piskląt jest naprawdę cennym systemem, ponieważ można manipulować ekspresją genów i szybko poznać fenotypy. Tak więc LMX jeden starzejący się, gdy ulega nadmiernej ekspresji w rozwijającym się układzie nerwowym piskląt, w szczególności w rozwijającym się rdzeniu kręgowym, spowodował, że cała grzbietowa część ośrodkowego układu nerwowego lub rdzeń kręgowy zamieniła się w grzbietową część ośrodkowego układu nerwowego lub płytę dachową.

połączeniu z wieloma innymi eksperymentami, które przeprowadził Victor, powiedziało nam, że LMX one A sam w sobie jest odpowiedzialny za napędzanie całego programu różnicowania płyty dachowej. Jest to ważne, ponieważ płyta dachowa jest krytycznym centrum sygnalizacyjnym w rozwijającym się układzie nerwowym. Jeśli nie masz płyty dachowej, nie wydzielasz morfogenu, który powiedziałby sąsiednim komórkom cewy nerwowej, aby przekształciły się w grzbietowe neurony czuciowe.

A bez tych sygnałów komórki te przechodzą w stan domyślny pośredniego typu komórki. Tracimy większość neuronów grzbietowych w rdzeniu kręgowym, ale także w rozwijającym się móżdżku. I nie sądzę, żebyśmy byli w stanie łatwo dojść do takiego wniosku przy użyciu jakiegokolwiek innego systemu niż rurka neuronowa kurczaka.

Jesteśmy naprawdę zainteresowani rozwojem móżdżku, nie tylko ze względu na podstawową biologię w systemach mysich, a także u piskląt, ale także u ludzi z wadami rozwojowymi móżdżku. A te ludzkie wady rozwojowe móżdżku są naprawdę słabo poznane. We współpracy z kolegą, doktorem Williamem Dobbinsem, jednym ze światowych ekspertów w dziedzinie wad rozwojowych ludzkiego mózgu, zainicjowaliśmy projekt mający na celu znalezienie genów wad rozwojowych ludzkiego móżdżku.

Przyjmujemy kilka podejść. Jedną z największych rzeczy, które zrobiliśmy, jest zbudowanie bazy danych DNA i klinicznej bazy danych, w której zrekrutowaliśmy ponad 500 pacjentów ze zdefiniowanymi wadami rozwojowymi móżdżku i zebraliśmy obrazy MRI, a także skorelowaliśmy je z próbkami DNA, abyśmy mogli użyć tego jako zasobu do polowania na geny, ponieważ okazuje się, że ludzkie wady rozwojowe móżdżku wcale nie są dobrze skategoryzowane. I szczerze powiedziałbym, że na każde 10 skanów, które otrzymujemy w ramach naszych badań, co najmniej jeden z tych skanów to jakaś wada rozwojowa, która nigdy nie została opisana i nie została wcześniej rozpoznana.

Najczęstsza wada rozwojowa móżdżku u człowieka nazywana jest wadą rozwojową Dandy'ego Walkera i jest to ta, która jest najbardziej rozpoznawana przez klinicystów. Okazuje się jednak, że jest to swego rodzaju śmieciowa diagnoza ludzkiego świata móżdżku. Każdy lekarz lub wielu lekarzy, gdy widzą nieprawidłowy móżdżek sklasyfikowany jako dandys walker.

Rekrutujemy więc pacjentów do naszego badania nad wadami rozwojowymi Dandy'ego Walkera i znajdujemy wiele różnych interesujących wad rozwojowych móżdżku. Używamy więc tego zasobu do znalezienia nowych genów rozwojowych móżdżku, ponieważ jako biolog rozwojowy uważam, że ludzie są jednym wielkim eksperymentem mutagenezy. Są doskonałym źródłem do znajdowania nowych genów rozwojowych.

Podejmujemy więc kilka podejść, aby znaleźć te geny. Jednym z tych podejść jest pobranie genów, które odkryliśmy u myszy, a które odgrywają rolę w rozwoju móżdżku i sekwencjonowanie tych genów u ludzi. I rzeczywiście, niedawno zidentyfikowaliśmy pierwszą ludzką mutację LMX One A.

Do tej pory zastosowania naszych badań z zakresu nauk podstawowych w badaniach klinicznych były naprawdę ograniczone. Ale to się naprawdę szybko zmienia. W miarę jak odkrywamy coraz to nowe geny, możemy dostarczać nowe informacje na temat poradnictwa genetycznego rodzinom dzieci dotkniętych chorobą.

I szczerze mówiąc, to właśnie tam widzę największy wpływ naszych badań. Moja wizja pięciu lat w ciągu pięciu lat jest taka, że o wiele więcej genów zostanie odkrytych zarówno poprzez charakterystykę modeli mysich, jak i poprzez pracę nad ludzkimi wadami rozwojowymi móżdżku. Dowiemy się więcej o zestawie genów, które są zaangażowane w rozwój móżdżku.

A potem celem będzie to, w jaki sposób te geny oddziałują ze sobą i jak te geny napędzają biologię? W jaki sposób kierują różnymi zdarzeniami komórkowymi, które mają miejsce, aby stworzyć móżdżek? Myślę, że móżdżek jest idealnym modelem dla całego ośrodkowego układu nerwowego, ponieważ, szczerze mówiąc, istnieje tylko pięć do siedmiu głównych typów komórek nerwowych.

Wszystkie są ułożone w różny, stereotypowy sposób. Dowiadujemy się coraz więcej o cząsteczkach, które napędzają specyfikację i wczesne różnicowanie tych przodków. Coraz lepiej rozumiemy, w jaki sposób te komórki się namnażają.

Myślę więc, że za więcej niż pięć lat, ale ostatecznie widzę, że ta dziedzina jest w stanie przejść przez rozwój rurki aż do rozwoju móżdżku, aby osiągnąć dojrzałą formę móżdżku. Myślę, że ponieważ móżdżek jest stosunkowo prostym systemem, mamy nadzieję na zrozumienie molekuł i zdarzeń rozwojowych, które napędzają powstawanie całego centrum całego móżdżku. Myślę, że jest to bardzo ważne, nie tylko dla dziedziny diagnostyki genetycznej u ludzi, ale także dla rozwoju móżdżku, ale myślę, że będziemy mieli również zastosowanie tych mechanizmów w innych częściach mózgu.

Móżdżek jest stosunkowo prostą strukturą, ale wiele wydarzeń rozwojowych nie będzie dotyczyło wyłącznie móżdżku. Możemy przenieść to, czego nauczyliśmy się z móżdżku, do innych, bardziej skomplikowanych obszarów ośrodkowego układu nerwowego, takich jak kora mózgowa, i wziąć lekcje i ścieżki, których się nauczyliśmy, i dowiedzieć się, jak odnoszą się one do reszty mózgu.