Понимание мозжечка структурообразования

Меня зовут Кэти Миллан. Я являюсь доцентом Чикагского университета на кафедре генетики человека, а также на кафедре неврологии. И я работаю над развитием мозга, в частности, я работаю над развитием Цере Батлера, мозжечка, части мозга здесь, в задней части черепа.

И он наиболее известен своей ролью в разработке двигателей, но оказывается, что он участвует во многих вещах. И это действительно интересная часть формирования паттернов мозга — это развитие паттернов в биологической системе. И это одно из тех слов, которые биологи развития используют довольно мягко для обозначения чего угодно.

И не совсем понятно, что это значит. Я думаю, что каждый биолог развития даст вам другую версию того, что это значит для меня. Это означает, что как мозг, или, в частности, мозжечок, узнает сверху и снизу, как вы определяете левое и правое?

Как вы решаете, какая часть структуры будет состоять, какая часть? И как только вы примете эти критические, фундаментальные решения на ранних стадиях эмбрионального развития, как вы объедините всю клеточную структуру, чтобы сформировать изысканно структурированную часть мозга, которую мы называем мозжечком? Так что нас действительно интересует развитие мозжечка и информация о паттернах в развивающемся мозжечке.

Потому что мозжечок – это ткань с изысканным рисунком. У него не так много слоев клеток и не так много типов клеток. Так что по сравнению с другими частями мозга, это особенно, ну, это относительно простая структура.

А еще потому, что мозжечок имеет вполне специфическую функцию, или одной из многих функций является координация движений. Когда у мышей или людей наблюдаются аномалии мозжечка, одним из возникающих фенотипов является двигательная некоординация. Таким образом, за сто лет или около того в истории мышиной генетики было множество спонтанных мышиных мутантов, которые были обнаружены и охарактеризованы в некоторой степени, но также просто изолированы и лежали на полке в Лабораториях Джексона, где они были мышами с двигательными аномалиями.

И большое количество этих мышей, я думаю, около 60 спонтанных штаммов, имеют аномалии развития мозжечка. И этот ресурс действительно ценный, богатый ресурс для изучения механизмов развития, которые управляют формированием мозжечкового паттерна. Так что одна из вещей, на которых сосредоточена моя лаборатория, — это взять все инструменты, которые у нас есть в рамках проектов «Геном человека» и «Геном мыши», и использовать эти молекулярные реагенты, чтобы найти гены, которые мутируют во всех этих спонтанных мутантах.

И находя этих мутантов, мы применяем фенотипно-ориентированный подход к поиску генов. Так что мы не берем гены случайным образом и не вырубаем их. Мы находим фенотипы и находим гены, потому что, используя этот подход, мы находим именно те гены, которые особенно важны для интересующей нас системы.

Так что наша лаборатория и многие другие лаборатории клонировали некоторое количество этих спонтанных мутантов мышей. И эти спонтанные мутанты мышей привели к действительно интересной новой биологии. Потому что мы используем подход, основанный на фенотипе.

У нас нет никаких предубеждений о том, какие гены мы найдем. Мы не ищем специально аналоги dal ho или мутации каналов. Мы приближаемся к генам, которые диктуют фенотипы.

И благодаря этому мы узнаем много нового из биологии. Так, например, один из генов или один из фенотипов, над которыми работала моя лаборатория, и когда я был постдоком вместе с другим коллегой, Джимом Линигом, мы работали над мышиным мутантом под названием dre, что в переводе с немецкого означает «вертушка» или «вращающийся как волчок». И эти мышиные мутанты впервые возникли в 1929 году в Германии и накапливались в лабораториях Джексона.

Существует множество аллелей именно этого локуса, и было известно, что мозжечок был сформирован неправильно. Таким образом, все типы клеток мозжечка были там, но структура мозжечка была аномальной. Средняя часть отсутствовала, а средняя часть называлась verus.

И мы обнаружили, что у этих мышей существовал ранний эмбриональный фенотип, который привел к фенотипу взрослого человека. Фенотип был результатом мутации в гене под названием LMX one A, что означает гомеодомен конечности, содержащий бокс один. Итак, ген L LMX One A на самом деле превратился в действительно интересный и важный ген в биологии развития, потому что это один из самых важных генов в определении того, что находится в центральной нервной системе, а что дорсально.

И без этой редкой мутации никто на самом деле не знал, что делает этот ген. На самом деле, он был обнаружен по другим причинам в инсулин-продуцирующих клетках поджелудочной железы. И другие люди изучали его потенциальную роль в развитии диабета.

Но на самом деле оказывается, что старение LMX само по себе не играет никакой роли в развитии поджелудочной железы или развитии клеток глазков. И на самом деле, его основная роль в развитии заключается в управлении дорсальным паттерном в центральной нервной системе. Когда мы впервые клонировали ген DR, ген LMX one A, мы поняли, что он экспрессируется только в дорсальной части центральной нервной системы.

И на самом деле, он выражается не только в дорсальной части центральной нервной системы или на крыше, как это называется только вокруг мозжечка. На самом деле он выражается в дорсальной части центральной нервной системы по всей осевой длине эмбриона мыши. И на самом деле, она выражается по всей осевой длине каждого позвоночного, которое мы рассматривали до сих пор.

И поскольку она выражается дорсально везде, мы предположили, что она должна играть роль дорсально в других частях центральной нервной системы. И мы потратили много времени на характеристику фенотипа мышей с ДР в спинном мозге, потому что спинной мозг на самом деле является гораздо лучшей модельной системой для понимания развития ЦНС, чем мозжечок, потому что он гораздо менее трехмерно сложен. У него гораздо меньше трехмерной структуры.

Перейдя к цыпленку, мы на самом деле смогли воспользоваться большим количеством реагентов, чтобы выяснить, какова роль LMX one A в спинном мозге. И со спинного мозга мы переключились обратно на мозжечок. И, честно говоря, я не думаю, что без технологии цыпленка у нас действительно было бы отличное понимание того, что делает ген LMX, постдок в моей лаборатории, Виктор Чико, был человеком, который действительно взял эти эксперименты и провел их.

И он был человеком, который на самом деле выяснил, что делает ген LMX one a и его основную роль в центральной нервной системе с помощью системы электропорации Chick. И я, честно говоря, не думаю, что мы смогли бы добиться такого прогресса без электропорации цыплят. Таким образом, электропорация цыплят является действительно ценной технологией, потому что вы можете быстро экспрессировать гены в развивающейся нервной системе цыпленка, получить результат после двух-трех дней инкубации и получить анализируемые фенотипы.

Если бы вы действительно попытались провести манипуляции с генами на мышах для трансгенных животных, это заняло бы несколько месяцев, а для нокаутов и так далее это заняло бы по крайней мере полтора года. Таким образом, система цыпления является действительно ценной системой, потому что вы можете манипулировать экспрессией генов и быстро находить фенотипы. Таким образом, LMX стареет, когда оно чрезмерно экспрессируется в развивающейся нервной системе цыпленка, в частности, в развивающемся спинном мозге, приводит к тому, что вся дорсальная часть центральной нервной системы или спинной мозг превращается в дорсальную часть центральной нервной системы или верхнюю пластину.

И это говорит нам в сочетании с кучей других экспериментов, которые провел Виктор, о том, что LMX one A сам по себе отвечает за управление всей программой дифференциации крыши. И это важно, потому что крышная пластина является критически важным сигнальным центром в развивающейся нервной системе. Если у вас нет крышной пластины, вы не выделяете морфоген, чтобы сообщить соседним клеткам нервной трубки превратиться в дорсальные сенсорные нейроны.

И без этих сигналов эти клетки переходят в состояние по умолчанию промежуточного типа клеток. И вы теряете большую часть дорсальных нейронов в спинном мозге, но также и в развивающемся мозжечке. И я не думаю, что мы смогли бы легко прийти к такому выводу, используя какую-либо другую систему, кроме куриной нервной трубки.

Мы действительно заинтересованы в развитии мозжечка, не только из-за фундаментальной биологии в мышиных системах и у цыплят, но и из-за пороков развития мозжечка у людей. И эти мальформации мозжечка у человека действительно плохо изучены. И поэтому в сотрудничестве с коллегой, доктором Уильямом Доббинсом, одним из мировых экспертов по порокам развития мозга человека, мы вместе инициировали проект по поиску генов мозжечковой мальформации человека.

И мы используем несколько подходов. Одна из самых важных вещей, которые мы сделали, это мы создали базу данных ДНК и клиническую базу данных, где мы набрали более 500 пациентов с определенными пороками развития мозжечка человека, собрали изображения МРТ, а также сопоставили их с образцами ДНК, чтобы мы могли использовать их в качестве ресурса для поиска генов, потому что оказалось, что пороки развития мозжечка человека вообще не очень хорошо классифицированы. И я бы честно сказал, что из каждых 10 сканирований, которые мы получаем в ходе наших исследований, по крайней мере одно из этих сканирований является каким-то пороком развития, который никогда не был описан и не был распознан ранее.

Наиболее распространенная мальформация мозжечка у человека называется мальформацией Денди Уокера, и именно она наиболее признана клиницистами. Но оказывается, что это своего рода мусорный диагноз для человеческого мозжечкового мира. Любой врач или многие врачи, увидев аномальный мозжечок, классифицируются как денди ходок.

И поэтому мы набираем пациентов для нашего исследования мальформаций Денди Уокера, и мы находим множество различных интересных мальформаций мозжечка. Так что мы используем этот ресурс для поиска новых генов развития мозжечка, потому что как биолог развития, я думаю, что люди — это один большой эксперимент по мутагенезу. Они являются одним из отличных источников для поиска новых генов развития.

Поэтому мы используем несколько подходов к поиску этих генов. Один из таких подходов заключается в том, чтобы взять гены, которые мы выяснили у мышей, которые играют роль в развитии мозжечка, и секвенировать эти гены у людей. И на самом деле, мы совсем недавно идентифицировали самую первую мутацию LMX one A у человека.

До сих пор применение наших фундаментальных научных исследований в клинических исследованиях было очень ограниченным. Но ситуация очень быстро меняется. По мере того, как мы находим все новые и новые гены, мы можем предоставить новую информацию о генетическом консультировании семьям пострадавших детей.

И, честно говоря, именно в этом я вижу наибольшее влияние нашего исследования. Таким образом, мое видение на перспективу «пять лет за пять лет» заключается в том, что будет открыто гораздо больше генов, как путем описания мышиных моделей, так и путем работы с мальформациями мозжечка человека. Мы узнаем больше о наборе генов, которые участвуют в развитии мозжечка.

И тогда цель должна состоять в том, как эти гены взаимодействуют друг с другом, и как эти гены управляют реальной биологией. Как они управляют всеми различными клеточными событиями, которые происходят для создания мозжечка? И я думаю, что мозжечок действительно идеальная модель для всей центральной нервной системы, потому что, честно говоря, существует всего пять-семь основных типов нейронных клеток.

Все они расположены в различной стереотипной манере. Мы узнаем все больше и больше о молекулах, которые определяют спецификацию и раннюю дифференциацию этих прародителей. Мы все больше и больше понимаем, как эти клетки размножаются.

Так что я думаю, что через пять лет, но в конечном итоге я вижу, что эта область сможет пройти весь путь развития трубки через развитие мозжечка, чтобы достичь зрелой формы мозжечка. И я думаю, что поскольку мозжечок — относительно простая система, у нас есть надежда на то, что мы сможем выяснить молекулы и события развития, которые управляют формированием всего центра мозжечка. И я думаю, что это действительно важно, не только для области генетической диагностики у людей, и это важно для области развития мозжечка, но я думаю, что у нас также будет применение этих механизмов в других частях мозга.

Мозжечок имеет относительно простую структуру, но многие события в развитии не будут эксклюзивными для мозжечка. Мы можем перенести то, что мы узнали из мозжечка, в другие, более сложные области центральной нервной системы, такие как кора головного мозга, и извлечь уроки и пути, которые мы узнали, и выяснить, как они применимы к остальной части мозга.