Для развития человеческого мозга нужны две разные нейроэктодермы

Из единого ли предшественника развивается мозг человека в ходе эмбриогенеза? Авторы статьи в Nature Neuroscience пришли к выводу, что нет. Они проанализировали дифференцировку нейроэктодермы на мышах и человеческих плюрипотентных стволовых клетках и показали, что мозг, вероятно, является составным органом — он происходит из двух эволюционно консервативных предшественников, один из которых способен дать начало переднему и среднему мозгу, а второй заднему.

Ученые провели мультиплексное окрашивание клеток нейроэктодермы эмбрионов мыши на 7,5 день после оплодотворения (E7.5). Они показали, что популяция, экспрессирующая маркер нейроэктодермы Sox2, четко разделяется на две — одна экспрессирует также Otx2, другая Gbx2. Эти группы обозначили как переднюю и заднюю нейроэктодерму соответственно, их расположение соответствовало тем участкам, которые дают начало переднему/среднему и заднему мозгу. 

Анализ того, какие сигналы индуцируют образование каждой из нейроэктодерм, и другие дальнейшие опыты проводили in vitro — на плюрипотентных стволовых клетках (ПСК) человека. Авторы выяснили, что для формирования передней нейроэктодермы необходимо совместное воздействие ингибиторов BMP, TGFβ и WNT1 (то есть сигналов нейральной индукции) на клетки первичной эктодермы, полученные из ПСК. Для образования задней нейроэктодермы эти сигналы требовалось дополнить активацией факторов роста фибробластов (FGF) и ретиноевой кислоты, причем нужны были оба воздействия — какого-либо одного из них было недостаточно. 

Исследователи проверили, насколько клетки передней и задней нейроэктодермы детерминированы и может ли их траектория развития меняться при изменении внешних сигналов. Клетки передней нейроэктодермы на 2-й день дифференцировки могли дать начало предшественникам переднего мозга (их определяли по маркерам FOXG1 и SIX3) при блокировке сигналов WNT и костного морфогенетического белка (BMP) при активации FGF. При активации WNT и FGF они дифференцировались в предшественники среднего мозга (их маркером служит EN1). Этот же сигнал — активация FGF и WNT — стимулировал развитие предшественников заднего мозга из клеток задней нейроэктодермы. Однако «меняться ролями» разные нейроэктодермы были неспособны  — даже под действием соответствующих сигналов передняя не давала начало предшественникам заднего мозга, а задняя не могла образовать предшественники переднего или среднего. 

Клетки передней и задней нейроэктодермы различались профилями доступности хроматина. Участки, доступные преимущественно в передней нейроэктодерме, были обогащены мотивами OTX2. Области, доступные преимущественно в задней нейроэктодерме, содержали мотивы факторов транскрипции, характерных для заднего мозга (HOX, HNF1B и MAFB), и мотивы транскрипционных эффекторов сигнальных путей FGF (ETV1) и ретиноевой кислоты (RARB и RXRG). Активация регуляторных программ также была ограничена типом каждой из нейроэктодерм.

После формирования передний мозг разделяется на дорсальную часть (неокортекс, где преимущественно образуются глутаматергические нейроны коры) и вентральную (где формируются ГАМКергические интернейроны коры и нейроны гипоталамуса). Задний мозг подвергается аналогичному структурированию, клетки его дорсальной части дают начало сенсорным нейронам, а вентральные — моторным.

Ученые выяснили, что четырехдневные клетки-предшественники переднего мозга давали начало его дорсальной части (PAX6⁺ EMX2⁺ клеткам) при активации WNT одновременно с ингибированием Hedgehog (HH) и FGF. В клетках-предшественниках заднего мозга схожий сигнал — активация WNT при ингибировании HH и BMP — приводил к образованию OLIG3⁺PAX3⁺-клеток, то есть предшественников дорсального отдела заднего мозга. И наоборот, в предшественниках переднего мозга активация HH совместно с ингибированием WNT приводила к появлению FOXG1⁺ SIX3⁺ NKX2.1⁺ клеток (то есть предшественников вентральной части переднего мозга), а из предшественников заднего мозга при такой обработке развивались OLIG2⁺ NKX6.2⁺ NKX2.2⁺ клетки (предшественники вентральной части заднего мозга). Иными словами, идентичность линий переднего и заднего мозга сохранялась, несмотря на сходство сигналов. 

Эти четыре различных типа нервных предшественников — дорсального и вентрального отделов переднего мозга, а также дорсального и вентрального отделов заднего мозга — могли в дальнейшем дифференцироваться в различные, не перекрывающиеся по характеристикам типы нейронов, воспроизводя их естественное образование в ходе эмбриогенеза. 

Наконец, авторы задались вопросом: насколько консервативно такое разделение нейроэктодермы? Проанализировав данные ранее опубликованных исследований, они выявили отдельные популяции клеток передней и задней нейроэктодермы в эмбрионах различных позвоночных, включая макак, кур и рыбку данио-рерио. Кроме того, расхождение нейроэктодермы на две взаимоисключающих области (otx⁺ и gbx⁺) обнаружилось у представителя типа полухордовых — кишечнодышащего Saccoglossus kowalevskii. Общий предок полухордовых и рассмотренных здесь позвоночных существовал около 550–600 млн лет назад.

Исследователи заключают, что мозг представляет собой составной орган, два предшественника которого могут быть эволюционно консервативны на протяжении 550 миллионов лет. 

Почти все, что мы знаем о мозге

Древние варианты в геноме человека определяют современное разнообразие языковых способностей