Человеческий мозг состоит из множества типов клеток, каждая из которых выполняет уникальные функции. Процессы, посредством которых клетки мозга, особенно в его внешнем слое (коре головного мозга), постепенно специализируются и берут на себя определенные роли, были в центре внимания многих предыдущих исследований в области неврологии.
Исследователи из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) проанализировали различные наборы данных, собранных с помощью метода одноклеточной транскриптомики, который позволяет изучать экспрессию генов в отдельных клетках. Целью этого исследования было составить карту возникновения различных типов клеток в процессе развития мозга.
Их результаты, опубликованные в журнале Nature Neuroscience, раскрывают генетические «программы», которые управляют специализацией клеток в коре головного мозга человека.
«Этот проект изначально начинался как небольшой биоинформатический проект», — рассказала Апарна Бхадури (Aparna Bhaduri), старший автор статьи, в интервью Medical Xpress. «Мы интегрировали общедоступные данные для изучения паттернов экспрессии генов в процессе развития мозга, но по мере продвижения мы поняли, что эти генетические сети или модули предоставляют ценные сведения о том, как формируются различные типы клеток в развивающейся коре головного мозга человека. Осознав потенциал этих результатов, мы расширили работу до комплексного исследования».
Основная цель исследования, проведенного Бхадури и ее коллегами, заключалась в выявлении сетей коэкспрессии генов, которые способствуют спецификации типов клеток в коре головного мозга. Открытие этих генетических модулей может пролить новый свет на общие процессы, лежащие в основе здорового и аномального развития человеческого мозга.
«За последние несколько лет многие исследовательские группы создали молекулярные профили развивающегося человеческого мозга», — отметила Патриция Р. Нано (Patricia R. Nano), первый автор статьи. «Однако, учитывая сложность мозга, каждый из этих профилей, естественно, охватывает только определенные этапы его развития».
Исследование началось как небольшой проект, направленный на лучшее понимание больших наборов данных, собранных за последние десятилетия, и их интеграцию в «мета-атлас» экспрессии генов на уровне отдельных клеток. После создания этого мета-атласа Бхадури, Нано и их коллеги поняли, что могут использовать его для выявления генетических модулей, управляющих специализацией клеток.
«Как только мы увидели, что эти модули могут представлять, как формируются и совершенствуются различные типы клеток, мы поняли, что у нас есть нечто, что действительно может помочь другим исследователям, изучающим развивающийся человеческий мозг», — сказала Нано. «Наша работа затем расширилась до статьи, целью которой было не только выявить модули, формирующие человеческий мозг, но и проверить функции этих модулей в моделях развития человеческого мозга».
На первом этапе исследования ученые объединили и проанализировали данные, собранные в предыдущих исследованиях с использованием методов секвенирования РНК отдельных клеток. Эти данные описывают активность генов в отдельных клетках в процессе развития мозга.
«Сгруппировав гены, которые демонстрировали схожие паттерны экспрессии в этих разнообразных наборах данных, мы выявили «сети коэкспрессии генов» или модули, представляющие группы генов, работающих вместе на определенных стадиях развития», — объяснила Бхадури.
Чтобы подтвердить свои выводы, исследователи проверили, активны ли эти модули в реальных тканях мозга человека, подтвердив их паттерны экспрессии с помощью методов микроскопии и окрашивания.
После подтверждения активности выявленных генетических модулей в реальных тканях мозга, ученые провели дополнительные эксперименты с использованием мозговых органоидов — трехмерных (3D) миниатюрных моделей развивающегося человеческого мозга, созданных с использованием стволовых клеток. С помощью этих моделей они экспериментально подтвердили, что эти модули способствуют формированию специфических типов нейронов.
«Наше исследование выявило и подтвердило специфические генетические сети, управляющие развитием различных подтипов нейронов в коре головного мозга человека», — сказала Бхадури. «Например, мы охарактеризовали модули, необходимые для создания нейронов глубоких слоев, выявив ранее неизвестные роли генов, связанных с нарушениями развития нервной системы».
Исследование предоставило новые ценные сведения о генетических процессах, лежащих в основе формирования сложности коры головного мозга человека на ранних стадиях развития.
В будущем мета-атлас, созданный исследователями, может также помочь лучше понять точные генетические и молекулярные механизмы, лежащие в основе развития различных нарушений развития, включая аутизм и интеллектуальные нарушения.
«Особенно полезным оказалось то, что из наборов данных, собранных разными лабораториями в разное время, мы смогли выявить генетические модули, описывающие возникновение клеточных судеб, предоставляя способы взять карты человеческого мозга и извлечь механизмы его формирования», — отметила Нано.
«Аналогично примеру, который упомянула Апарна, наши модули могут выявить новые способы, с помощью которых гены, связанные с риском заболеваний, могут контролировать специфические типы клеток в мозге».
Бхадури, Нано и их коллеги надеются, что созданный ими мета-атлас станет ценным ресурсом для других исследовательских групп по всему миру. Например, он может помочь нейробиологам определить генетические сети, которые нарушаются у людей с определенными нарушениями развития и неврологическими расстройствами, что, в свою очередь, может стать мишенью для новых терапевтических вмешательств.
«Мы очень рады продолжать понимать, как формируется человеческий мозг и как эти генетические программы важны для здорового развития и неврологических расстройств», — добавила Бхадури.
«Например, мы использовали аналогичный подход с мета-атласом в исследовании глиобластомы, смертельного рака мозга, и интегрируем наш мета-атлас развития человеческого мозга с другими показателями функции стволовых клеток и принятия решений.
«Мы также заинтересованы в дальнейшем изучении дополнительных нарушений развития нервной системы и сравнении модулей из этого атласа с траекториями развития этих расстройств».
Литература:
Patricia R. Nano et al, Integrated analysis of molecular atlases unveils modules driving developmental cell subtype specification in the human cortex, Nature Neuroscience (2025). DOI: 10.1038/s41593-025-01933-2.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗМЦ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
