„Zmutowane fretki” rzucają światło na ewolucję ludzkiego mózgu
Badając rozwój ludzkiego mózgu za pomocą modelu zmutowanej fretki, naukowcy przypadkowo natknęli się na wskazówki dotyczące ewolucji naszych ponadwymiarowych mózgów.
Ludzie są obdarzeni stosunkowo dużymi mózgami. A w ciągu ostatnich 7 milionów lat - krótkiego okresu czasu w kategoriach ewolucyjnych - rozmiar naszych mózgów potroił się.
Kora mózgowa, pofałdowana i pofałdowana warstwa zewnętrzna, występuje szczególnie u ludzi. Dokładnie, dlaczego i jak nasze mózgi stały się tak cholernie wymyślne, jest przedmiotem wielu dyskusji, a dowody są obecnie skąpe.
Znajdowanie wskazówek dotyczących genetycznych i biologicznych zmian, które miały miejsce miliony lat temu, przypomina szukanie igły w stogu siana po drugiej stronie wszechświata. Jednak co jakiś czas Lady Serendipity uśmiecha się do naukowców.
Niedawno naukowcy z wielu instytucji, w tym Howard Hughes Medical Institute w Chevy Chase, MD, Yale University w New Haven, CT i Boston Children’s Hospital w Massachusetts, przeprowadzili serię badań poświęconych małogłowie.
Ich badania były owocne i pogłębiły nasze zrozumienie małogłowia, ale przybliżyły nas również do tej igły w odległym stogu siana. Ich odkrycia zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Natura.
„Z wykształcenia jestem neurologiem i badam dzieci z rozwojowymi chorobami mózgu” - wyjaśnia dr Christopher Walsh z Boston Children’s Hospital. „Nigdy nie myślałem, że zajrzę do ewolucyjnej historii ludzkości”.
Jak badać małogłowie
Niemowlęta z małogłowiem mają znacznie mniejszą głowę niż normalnie, a ich kora mózgowa nie jest prawidłowo uformowana. Ten stan jest często genetyczny, chociaż ostatnio został również powiązany z wirusem Zika.
Jak i dlaczego kora nie tworzy się prawidłowo, nie jest w pełni zrozumiałe. Jednym z powodów, dla których zgłębianie tego tematu jest tak trudne, jest brak dobrego modelu; najczęściej używany jest model myszy, ale nie nadaje się on do celu.
Mózgi myszy są, jak można się spodziewać, małe. Ponadto myszy nie mają takiego samego zróżnicowanego wyboru komórek mózgowych jak ludzie, a ich kora mózgowa jest znacznie gładsza.
Gen najczęściej zaangażowany w małogłowie to taki, który koduje białko znane jako Aspm. Kiedy ten gen jest zmutowany, ludzki mózg będzie miał mniej więcej połowę normalnego rozmiaru.
Jednak u myszy bez tego genu - zwanych myszami z nokautem Aspm - ich mózgi kurczą się tylko o jedną dziesiątą. Ta ledwo wykrywalna zmiana jest mało przydatna dla naukowców.
Poszukując lepszego modelu małogłowia, naukowcy - którym kierowali dr Walsh i Byoung-Il Bae z Uniwersytetu Yale - zwrócili się ku fretkom.
Na początku może się to wydawać dziwnym wyborem zwierzęcia, ale ma to sens; Fretki są większe i mają złożoną korę z tym samym zakresem typów komórek, co ludzie. Podobnie jak myszy rozmnażają się szybko i swobodnie.
Jak wyjaśnia dr Walsh: „Pozornie fretki mogą wydawać się zabawnym wyborem, ale od 30 lat stanowią ważny model rozwoju mózgu”.
Chociaż wcześniej fretki okazały się przydatne, niewiele wiadomo na temat genetyki fretek, więc stworzenie wersji zwierzęcia z nokautem Aspm byłoby trudne. Dr Walsh był jednak niezrażony; zabezpieczył fundusze i zabrał się do pracy.
Fretka nokautowa Aspm to tylko druga fretka nokautowa, jaką kiedykolwiek stworzyła ludzkość.
Zgodnie z oczekiwaniami, mózgi fretek z nokautem Aspm były do 40 procent mniejsze niż normalnie, co znacznie zbliżało je do ludzkiej wersji małogłowia. Podobnie jak w przypadku małogłowia człowieka, grubość kory pozostała niezmieniona.
Wskazówka do ewolucji mózgu
Oprócz zaprojektowania nowego i użytecznego modelu małogłowia człowieka, naukowcy zanurzyli również palce w znacznie trudniejszym do rozwiązania problemie: w jaki sposób wyewoluowaliśmy tak duże mózgi?
Badali, w jaki sposób utrata Apsm wpłynęła na mózgi fretek w taki sposób, jak to się stało. Wady wynikały ze zmian w sposobie zachowania komórek gleju promienistego.
Komórki gleju promieniowego rozwijają się z komórek nabłonka nerwowego, które są komórkami macierzystymi układu nerwowego. Mogą one rozwinąć się w wiele różnych typów komórek kory.
Rozpoczynając w pobliżu rozwijających się komór mózgowych, komórki gleju promienistego przemieszczają się w kierunku tworzącej się kory mózgowej. W miarę oddalania się tych komórek od punktu początkowego powoli tracą zdolność do przekształcania się w różne typy komórek mózgowych.
Zespół odkrył, że brak Apsm spowodował szybsze odłączanie się komórek gleju promienistego od komór i wczesną migrację.
Po wyłączeniu czasu stosunek komórek gleju promienistego do innych typów komórek zmienił się skośnie, co spowodowało zmniejszenie liczby komórek nerwowych w korze. Apsm działa jako regulator, zwiększając lub zmniejszając ogólną liczbę neuronów korowych. I w tym tkwi klucz do ewolucji ludzkiego mózgu.
„Natura musiała rozwiązać problem zmiany rozmiaru ludzkiego mózgu bez konieczności przeprojektowywania całości”.
Byoung-Il Bae
W ten sposób Apsm zmienia rozwój mózgu, wpływając na funkcję centrioli, czyli struktur komórkowych zaangażowanych w podział komórek. Bez Apsm centriole nie wykonują swojej pracy prawidłowo.
Ostatnio kilka genów zaangażowanych w regulację białek centrioli, w tym Apsm, przeszło ewolucyjne zmiany. Dr Walsh uważa, że to mogą być te geny, które odróżniają nas od szympansów lub naszych dalekich kuzynów neandertalczyków.
„Z perspektywy czasu ma to sens” - mówi dr Walsh. „Geny, które łączyły nasze mózgi podczas rozwoju, musiały być genami, które ewolucja zmodyfikowała, aby nasze mózgi były większe”.
Zmieniając ten jeden gen, można zmienić migrację komórek gleju radialnego, a kora może się powiększyć. Badania te dostarczają nowego modelu małogłowia i nowego wglądu w pochodzenie naszego wypukłego mózgu.
