"Mutantu seski" spīd gaismā uz cilvēka smadzeņu evolūciju
Pētot cilvēka smadzeņu attīstību, izmantojot mutanta sesku modeli, zinātnieki nejauši uzdūrās norādēm par mūsu lielizmēra smadzeņu attīstību.
Cilvēki ir svētīti ar salīdzinoši lielām smadzenēm. Pēdējo 7 miljonu gadu laikā - evolucionāri īsā laika posmā - mūsu smadzeņu lielums ir trīskāršojies.
Smadzeņu garoza, saliektais un salocītais ārējais slānis, īpaši tas ir cilvēkiem. Kāpēc un kā mūsu smadzenes kļuva tik izdomātas, ir daudzu diskusiju punkts, un pierādījumu pašlaik ir maz.
Norāžu atrašana par ģenētiskām un bioloģiskām izmaiņām, kas notika pirms miljoniem gadu, ir līdzīga adatas meklēšanai siena kaudzē Visuma otrā pusē. Tomēr ik pa laikam lēdija Serendipitija pasmaida zinātniekiem.
Nesen pētnieki no vairākām institūcijām, tostarp Hovarda Hjūza medicīnas institūta Čevija Čeisā, MD, Jēlas universitātē Ņūheivenā, DT, un Bostonas Bērnu slimnīcā Masačūsetsā, veica virkni pētījumu par mikrocefāliju.
Viņu pētījumi bija auglīgi un sekmēja mūsu izpratni par mikrocefāliju, taču viņi arī mūs tuvināja tai adatai tālajā siena kaudzē. Viņu atklājumi nesen tika publicēti žurnālā Daba.
"Esmu apmācīts par neirologu un pētīju bērnus ar smadzeņu attīstības slimībām," skaidro Dr Kristofers Volšs no Bostonas Bērnu slimnīcas. "Es nekad nedomāju, ka ieskatīšos cilvēces evolūcijas vēsturē."
Kā izpētīt mikrocefāliju
Zīdaiņiem ar mikrocefāliju galva ir daudz mazāka nekā parasti, un viņu smadzeņu garoza nav izveidota pareizi. Šis stāvoklis bieži ir ģenētisks, lai gan pēdējā laikā tas ir saistīts arī ar Zika vīrusu.
Kā un kāpēc garoza neveidojas pareizi, līdz galam nav saprotams. Viens no iemesliem, kāpēc šīs tēmas izpēte ir tik grūts, ir laba modeļa trūkums; visbiežāk tiek izmantots peles modelis, taču tas nav piemērots mērķim.
Peles smadzenes, kā jūs varētu sagaidīt, ir niecīgas. Arī pelēm nav tikpat daudzveidīga smadzeņu šūnu izvēle kā cilvēkiem, un to garoza ir daudz vienmērīgāka.
Gēns, kas visbiežāk iesaistīts mikrocefālijā, ir tas, kas kodē olbaltumvielu, kas pazīstama kā Aspm. Kad šis gēns būs mutēts, cilvēka smadzenes būs apmēram puse no normālā lieluma.
Tomēr pelēm bez gēna, ko sauc par Aspm izslēgšanas pelēm, viņu smadzenes saraujas tikai par vienu desmito daļu. Šīs tikko konstatējamās izmaiņas zinātniekiem ir maz noderīgas.
Medībās pēc labāka mikrocefālijas modeļa pētnieki, kurus vadīja Dr Walsh un Byoung-Il Bae no Jeilas universitātes, pievērsās seskiem.
Sākumā tas varētu šķist nepāra izvēle dzīvniekam, taču tam ir laba jēga; seski ir lielāki un tiem ir sarežģīta garoza ar tādu pašu šūnu tipu diapazonu kā cilvēkiem. Tāpat kā peles, tās ātri un brīvi vairojas.
Kā paskaidro doktors Volšs: "Seski var šķist smieklīgi, taču 30 gadus tie ir bijuši nozīmīgs smadzeņu attīstības modelis."
Lai gan seski jau iepriekš ir izrādījušies noderīgi, par sesku ģenētiku ir maz zināms, tāpēc dzīvnieka Aspm izslēgšanas versijas izveide būtu sarežģīta. Tomēr doktors Volšs to neatbaidīja; viņš nodrošināja finansējumu un ķērās pie darba.
Aspm izslēgtais sesks ir tikai otrais sesks, ko cilvēce jebkad ir radījusi.
Kā jau bija paredzēts, Aspm nokauto sesku smadzenes bija līdz pat 40 procentiem mazākas nekā parasti, tādējādi tas daudz vairāk tuvojās mikrocefālijas cilvēka versijai. Un, tāpat kā ar cilvēka mikrocefāliju, garozas biezums nemainījās.
Norāde uz smadzeņu evolūciju
Papildus jauna un noderīga cilvēka mikrocefālijas modeļa izstrādei zinātnieki arī iegremdēja pirkstus daudz neatrisināmākā problēmā: kā mēs attīstījām tik lielas smadzenes?
Viņi pētīja, kā Apsm zaudējums ietekmēja sesku smadzenes tādā veidā, kā tas notika. Defekti tika izsekoti līdz izmaiņām radiālās glijas šūnu uzvedībā.
Radiālās glijas šūnas attīstās no neiroepitēlija šūnām, kas ir nervu sistēmas cilmes šūnas. Tie spēj attīstīties vairākos dažādu šūnu tipos garozā.
Sākot ar attīstošajiem smadzeņu kambariem, radiālās glijas šūnas virzās uz veidojošo garozu. Kad šīs šūnas attālinās no sākuma punkta, tās lēnām zaudē spēju attīstīties dažāda veida smadzeņu šūnās.
Komanda atklāja, ka Apsm trūkuma dēļ radiālās glijas šūnas vieglāk atdalījās no sirds kambariem un agri sāka migrāciju.
Kad laiks bija izslēgts, radiālo gliālo šūnu attiecība pret citiem šūnu tipiem mainījās, kā rezultātā garozā bija mazāk nervu šūnu. Apsm darbojas kā regulators, izsaucot augšup vai lejup garozas neironu kopējo skaitu. Un šeit slēpjas pavediens cilvēka smadzeņu evolūcijai.
"Dabai bija jāatrisina cilvēka smadzeņu lieluma maiņas problēma, nepārveidojot visu."
Byoung-Il Bae
Apsm šādā veidā maina smadzeņu attīstību, ietekmējot šūnu dalīšanās procesā iesaistīto centriolu vai šūnu struktūru darbību. Bez Apsm centrioli nedara savu darbu pareizi.
Nesen daži gēni, kas iesaistīti centriola olbaltumvielu regulēšanā, ieskaitot Apsm, ir piedzīvojuši evolūcijas izmaiņas. Doktors Volšs uzskata, ka tieši šie gēni mūs atšķir no šimpanzēm vai tālu brālēniem neandertāliešiem.
"Tam ir jēga retrospektīvi," saka Dr Walsh. "Gēniem, kas attīstības laikā saliek mūsu smadzenes, jābūt gēniem, kurus evolūcija uzlaboja, lai padarītu mūsu smadzenes lielākas."
Mainot šo vienu gēnu, var mainīties radiālās glijas šūnu migrācija un garoza var izaugt lielāka. Šie pētījumi sniedz jaunu mikrocefālijas modeli un jaunu ieskatu mūsu izliekto smadzeņu izcelsmē.
