28 июня 2018

Правда ли, что ученые вырастили in vitro мини-мозг неандертальца?

До сегодняшнего дня для исследования строения мозга неандертальцев и выявления его различий с мозгом современного человека ученым приходилось работать с окаменелыми останками черепов. Информацию о строении мозга получали при помощи изучения эндокранов – отпечатков борозд и извилин головного мозга на внутренней поверхности черепа. Однако группа ученых из школы медицины Калифорнийского университета в Сан-Диего представила свежий взгляд на эту проблему.

Объединив современные достижения в глубоком секвенировании древней ДНК, редактировании генома и культивировании «мини-органов», ученые смогли получить живую модель мозга неандертальца. Необходимо отметить, что на данный момент это не попытки полного воспроизведения мозговой ткани неандертальца – клетки в эксперименте имеют лишь один «неандертальский» ген.

Однако новая технология вызвала большой резонанс в научном сообществе. Первые результаты еще не опубликованной работы были представлены на конференции Imagination and Human Evolution в Сан-Диего.

Напомним, что за основу своей работы авторы взяли технологию получения «органоидов» или «мини-органов», разработанную впервые в 2013 году Австрийскими учеными. В качестве исходного материала для «органоидов» можно использовать обычные человеческие эмбриональные стволовые клетки или индуцированные стволовые клетки (induced pluripotent stem cells, iPS), полученные из клеток кожи с помощью изменения их программы развития. Клетки сначала выращивают на синтетической гелевой подложке, а затем переносят во вращающийся биореактор, где они созревают и дифференцируются. Нервная ткань в «органоидах» организуется в слои, напоминающие кору головного мозга, при этом разные пространственно-удаленные отделы «органоида» взаимодействуют друг с другом. Кроме того, во время созревания нейроны мигрируют из одних отделов «органоида» в другие точно так же, как это происходит во время формирования нормального мозга.

Авторы текущего исследования начали эксперимент с анализа более 200 белок-кодирующих генов, отличающих неандертальца от современного человека. В качестве мишени был выбран ген NOVA1, играющий ключевую роль в раннем развитии мозга, а также ассоциированный с возникновением аутизма и шизофрении. Разница в последовательности ДНК NOVA1 у Homo Sapiens и неандертальца состоит всего в один нуклеотид. Однако из-за альтернативного сплайсинга это незначительное отличие привело к возникновению более 100 новый белков в мозге неандертальского человека.

Взяв клетки кожи от здорового добровольца без генетических дефектов, с помощью эпигенетического перепрограммирования ученые получили из них плюрипотентные стволовые клетки. Далее, используя технологию CRISPR, исследователи произвели точечную нуклеотидную замену в гене NOVA1, превратив его, таким образом, в «неандертальский». Для устранения ошибок (так называемых нецелевых, "off-target" эффектов), вызванных недостатками используемой технологии геномного редактирования, геном полученных клеток был отсеквенирован и для дальнейших экспериментов отбирались только клетки с нужной мутацией в NOVA1.

Следующий этап эксперимента – выращивание органоидов из мутантных стволовых клеток – занял несколько месяцев. Ученые дали им название «неандертоиды», а журналисты окрестили полученные органоиды «мини-мозгом» в пробирке. Параллельно по той же технологии исследователи получали нейрональные «органоиды» современного человека. Сравнение выращенных структур показало, что в «неандертоидах» нейроны мигрируют и образуют структуры быстрее, чем в «органоидах» Homo Sapiens, но создают меньше синаптических соединений с другими клетками, формируя аномальную нейронную сеть. Кроме того, «неандертоиды» отличались по своей форме, которая напоминала воздушный попкорн, тогда как кортикальные «органоиды» без «неандертальской» мутации в NOVA1 имели сферическую форму.

По словам руководителя группы ученых Элисон Мюотри, некоторые особенности «неандертоидов» похожи на те, которые наблюдаются у детей, страдающих аутизмом. «У современных людей такие изменения связаны с дефектами развития мозга, что затрудняет социализацию. Если считать, что мутация в NOVA1 была одним из наших преимуществ перед неандертальцами, то такое объяснение имеет смысл», – отметил Мюотри.

Сванте Паэбо – директор института эволюционной антропологии имени Макса Планка, однако, выразил опасение, что результаты данной работы могут вызвать изрядный скептицизм со стороны научного сообщества. «В таком эксперименте очень сложно выявить, какие именно генетические различия между современным человеком и неандертальцем являются функционально релевантными. Ведь «неандертоиды» представляют собой модель мозга на очень ранней стадии развития и, анализируя их структуру и способ функционирования, очень трудно предсказать, как работал мозг взрослого неандертальца».

Дальнейший рост и развитие «неандертоитов», по словам исследователей, потребует создания системы кровеносных сосудов, которые будут питать внутренние слои клеток в «органоидах» и выводить продукты их жизнедеятельности. Эта задача, как пообещал Муотри, будет решена в ближайшее время.

Оригинал заметки

Записаться на генетическую Школу