Международная команда ученых ответила на фундаментальный вопрос – как эмбриональные стволовые клетки становятся клетками мозга и какие гены управляют этим процессом. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience, использовались передовые инструменты редактирования генома для создания подробной карты генов, необходимых на самых ранних этапах развития мозга. Работу возглавил профессор Сагив Шифман из Еврейского университета в Иерусалиме в сотрудничестве с профессором Бинназ Ялчин из французского института INSERM.
Исследователи поставили перед собой четкую цель – определить, какие гены необходимы для правильного формирования клеток мозга. С помощью технологии редактирования генов CRISPR они поочередно «отключали» почти 20 000 генов и наблюдали, что происходит, когда эмбриональные стволовые клетки пытаются превратиться в нервные. Такой систематический подход позволил выявить 331 ген, критически важный для производства нейронов. Многие из этих генов ранее не связывались с ранним развитием мозга, что открывает новые перспективы в изучении нейродегенеративных состояний, включая аутизм, задержки развития и аномалии размера мозга.
Одним из самых значимых результатов стало открытие того, что ген под названием PEDS1 ответственен за ранее неизвестное нарушение развития нервной системы. Этот ген необходим для производства плазмалогенов – особого типа липидов, которые в большом количестве содержатся в миелине, жировой оболочке, изолирующей нервные волокна. Скрининг CRISPR показал, что PEDS1 также играет ключевую роль в формировании нервных клеток, а его утрата приводит к уменьшению размера мозга. Основываясь на этих наблюдениях, ученые предположили, что дефицит PEDS1 может нарушать развитие мозга у людей.
Эта гипотеза подтвердилась результатами генетического тестирования в двух неродственных семьях. В обоих случаях у детей с тяжелыми симптомами задержки развития и уменьшенным мозгом была обнаружена редкая мутация в гене PEDS1. Чтобы окончательно доказать прямую связь, исследователи отключили этот ген в экспериментальных моделях. Опыты подтвердили, что PEDS1 необходим для нормального развития мозга – без него нервные клетки не формируются и не мигрируют должным образом, что и объясняет клиническую картину у детей с мутацией.
Профессор Сагив Шифман так комментирует работу: «Отслеживая превращение стволовых клеток в нервные и систематически нарушая работу почти всех генов, мы создали карту генов, необходимых для развития мозга. Она поможет нам лучше понять, как мозг развивается, и выявить еще не открытые гены, связанные с нарушениями. Идентификация PEDS1 как генетической причины нарушений у детей открывает путь к улучшенной диагностике, генетическому консультированию семей и, возможно, к разработке таргетных методов лечения».
Исследование также выявило общие тенденции, которые могут помочь предсказать, как наследуются нарушения развития нервной системы. Гены, контролирующие активность других генов, часто связаны с доминантными расстройствами – в этих случаях для возникновения заболевания достаточно мутации в одной копии гена. Напротив, состояния, связанные с метаболическими генами, включая PEDS1, чаще всего являются рецессивными. Это означает, что обе копии гена должны быть изменены, и обычно каждый родитель является носителем одной измененной копии.
Ученые также создали «карту необходимости», показывающую, на каком этапе развития требуется тот или иной ген. Эта карта помогла различить генетические механизмы, связанные с аутизмом и задержкой развития. Оказалось, что гены, необходимые на многих этапах развития, теснее связаны с общей задержкой развития. В то же время гены, особенно важные именно на стадии формирования нервных клеток, в большей степени ассоциированы с аутизмом. Эти выводы помогают объяснить, почему разные генетические сбои могут приводить к схожим симптомам.
Чтобы поддержать будущие открытия, команда запустила открытую онлайн-базу данных, содержащую результаты исследования. «Это была отличная идея аспирантки Аланы Амелан, которая выполнила большую часть работы, а также создала веб-сайт, – добавил профессор Шифман. – Мы хотели, чтобы наши выводы послужили всему научному сообществу». В целом, исследование представляет собой подробную генетическую карту раннего развития нервной системы и проливает свет на молекулярную основу нового заболевания мозга, что может улучшить генетическую диагностику и направить будущие исследования.
