А были ли гены? Школа молодых нейронов
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора
Сегодняшний выпуск состоит из двух частей. В первой, на примере статьи из Nature и написанных на основе статьи новостей рассказывается о том, как журналисты, пишущие новости на основе пресс-релизов, зачастую неправильно понимают суть научных статей. Во второй части рассказывается о том, как молодые нейроны мозга учатся взаимодействовать с более старыми «коллегами».
Читайте эту и другие новости нейробиологии на сайте Нейроновости
А были ли гены?
Внимательный читатель рубрики «Нейронауки в Nature и Science» заметит, что новости, которые мы обсуждаем в этой колонке, часто появляются на неделю-две позже, чем на других ресурсах. Это происходит потому, что редактор рубрики, работая над материалом, всегда читает оригинальную статью, а не пресс-релизы (пресс-релизы рассылаются до появления полной статьи онлайн). Всю эту неделю редактору попадались новости о том, что в журнале Nature опубликовали исследование, где «ученые обнаружили новые гены, которые связаны с развитием шизофрении». Каково же было удивление вчера увидеть статью в Nature (а новый номер появляется онлайн по четвергам), не совсем про шизофрению и точно не про открытие новых генов. Поэтому этот выпуск – необычный. Мы поместим новость в контекст СМИ и посвятим наш выпуск сравнению того, что имели в виду авторы статьи, и что в итоге было пересказано во многих новостях.
Для начала давайте посмотрим, что написали сами авторы в статье.
«Конформация хромосом проливает свет на регуляторные взаимодействия в развивающемся мозге человека» (далее в цитатах пойдет дословный построчный перевод).
Заметим, что в названии ни слова про шизофрению, ни про открытие новых генов, а ведь название научной статьи – это главная мысль, которую хотят донести авторы. Читаем дальше абстракт, краткое содержание статьи.
«Трёхмерные физические взаимодействия между хромосомами динамично регулируют экспрессию генов и влияют на специфичность экспрессии генов в тканях. Однако, трехмерная организация хромосом во время развития мозга человека и ее роль в регуляции взаимодейтсвий генов, при таких болезнях развития мозга, как аутизм или шизофрения, неизвестны».
Как влияет на функцию одного и того же гена его расположение в пространстве ядра – это фундаментальный вопрос и очень «горячая» тема в биологических исследованиях. Очень упрощенно: если один и тот же ген находится в центре ядра, то он обычно лучше экспрессируется (что в конечном итоге приведет к большему количеству белка), а если ближе к периферии ядра – то хуже (меньше белка). Но просто расположение гена в ядре не описывало всю сложность динамики экспрессии генов. Было выяснено, что на эту экспрессию также влияют «соседи» гена – как «одномерные» (то, что окружает непосредственно ген в линейной молекуле ДНК), так и «трехмерные» (в 3D-пространстве ядра участки ДНК даже на разных хромосомах могут располагаться в непосредственной близости друг от друга). Добавим к этому еще четвёртое измерение – время, ведь при развитии клетки расположение одних и тех же генов меняется в пространстве (при этом сами гены-то не меняются!). Пятое возможное измерение – это то, что происходит при патологиях развития. При этом упомянутые аутизм и шизофрения идут как абстрактные примеры, и они –далеко не фокус исследования, исследователи не сравнивали нормальное развитие мозга с тем, что происходит при патологиях – все результаты были получены на «нормальных» клетках мозга.
«Мы получили трёхмерную карту контактов хроматина в высоком разрешении на стадии образования коры головного мозга человека. Это позволило аннотировать большую группу до этого неизвестых регуляторных взаимодействий, которые могут иметь значения для когнитивных способностей и болезней. Наш анализ идентифицировал сотни генов, которые находятся в физическом контакте с энхансерами (энхансер — это небольшой участок ДНК, который после связывания с ним факторов транскрипции стимулирует транскрипцию с основных промоторов гена или группы генов — прим. ред.), приобретёнными в эволюционном процессе развития человека, многие из которых находятся под влиянием стабилизирующего естественного отбора и ассоциированы с когнитивными способностями человека».
Технологии трёхмерного анализа контактов только начали появляться, это очень трудоемкий (и моментами «эзотерический») анализ, который, как и любой массив больших данных, имеет ощутимую пропорцию «биологического шума». Поэтому любые данные извлеченные из них сопровождаются «могут иметь значение» и нуждаются в подтверждении независимыми экспериментальными методами.
Что же сделали авторы исследования, после получения своего массива данных? Никакие новые гены они не идентифицировали – они взяли информацию об уже известных генах, важных для развития человеческого мозга (что логично – они работают с клетками-предшественницами коры мозга) и определили, кто является их соседями в трехмерном пространстве. Это «соседство» потенциально может влиять на развитие клеток, а может и не нести большой смысловой и функциональной нагрузки. Сравните список ваших друзей в фейсбуке, роль их в вашей жизни и те лайки, которые вы ставите – иногда есть корреляция между ролью друзей и количеством лайков, но далеко не всегда.
«Мы “нанесли” на карту контактов в хроматине те полиморфизмы, которые были идентифицированы до этого в полногеномных поисках ассоциаций (genome-wide association studies), в особенности многие кандидаты в гены и пути, увеличивающие риск шизофрении. Они включают в себя транскрипционные факторы, участвующие в образовании нейронов, и сигнальные молекулы, реагирующие на ацетилхолин».
И тут появляется упоминание шизофрении. Хотя авторы по-прежнему делают одно и то же: берут группу интересных генов/участков (опять же, найденных до них), подставляют их координаты на свою трехмерную карту взаимодействий и смотрят, кто же является соседями.
Что такое «полиморфизмы, идентифицированные до этого в полногеномном поиске ассоциаций»? Это опять же большой массив данных: взяли Х человек, страдающих шизофренией, отсеквенировали их геном и посмотрели, где есть отличия (полиморфизмы) в их геноме, если сравнивать с контрольной группой, не страдающей шизофренией. Логично, что люди страдающие шизофренией отличались от контрольной группы не только наличием шизофрении, а множеством других параметров, проконтролировать которые невозможно (родители, детство, образ жизни и так далее). Также известно, что в развитие шизофрении вносят вклад достаточно много факторов – как генетических, так и социальных (влияние окружающей среды). Поэтому все отличия, найденные в ДНК, обеспечивают далеко не 100% корреляцию между этим полиморфизмом и наличием/отсутствием шизофрении, и в лучшем случае получают статус «кандидаты в гены, увеличивающие риск шизофрении».
Учитывая, что только 1.5% генома человека кодируют белки, очень предсказуемо, что большинство отличий будет в некодирующих областях генома и соответственно их функция будет далека от очевидной. Значит подставляется абстрактное описание «регуляторная» функция. Логично представить, что эти «регуляторные» участки будут управлять экспрессией генов, находясь в непосредственной близости от этих целей-генов – что и проверили авторы исследования с помощью своей трехмерной карты.
«Изменение генома в предшественних нейронов человека показало, что один из этих локусов регулирует экспрессию FOXG1 гена. Это подкрепляет доказательства его потенциальной роли как гена, увеличивающего риск шизофрении (its potential role as a schizophrenia risk gene)».
И вот для одного локуса (места в геноме, он же полиморфизм) они решили отойти от описательного подхода, а посмотреть, работает ли их предсказания. Если это место в геноме действительно влияет на экспрессию генов, то при его модификации должна измениться экспрессия гена-соседа по трехмерному пространству. Так и произошло – изменилась эспрессия регулятора транскрипции FOXG1. Эти данные указывают на то, что действительно может быть связь между этим полиморфизмом и развитие клеток коры мозга. Однако отнюдь не являются прямым доказательством его связи с шизофренией: увеличение экспрессии гена, который влияет на развитие нейронов, приведет к нарушениям развития коры мозга, но далеко не факт, что эти нарушения будут проявляться в виде шизофрении.
«Это работа создает платформу для понимания эффектов некодирующих регуляторных элементов на развитие человеческого мозга и эволюцию когнитивных способностей, и выдвигает на первый план новые механизмы, лежащие в основе нейропсихиатрических заболеваний».
Это действительно важная и техническая сложная работа, которая затрагивает фундаментальные вопросы – как происходит развитие, в данном случае развитие мозга. При всем при этом она не показывает то, что ей приписали СМИ. Приведем примеры:
«Результаты, полученные калифорнийскими учеными, подтверждают мнение, что гены играют важную роль в возникновении шизофрении. Возможно, что их влияние более существенно, чем считалось ранее».
«Ученые нашли новые генетические корни шизофрении».
«Ученые открыли «гены шизофрении»
«Ученые обнаружили, что большая часть из участков ДНК, связанных с болезнью, не кодирует сама по себе информацию о белках, как это делают “обычные” гены».
«Ученые провели исследование, чтобы понять причины возникновения болезни и выяснили, что гены играют значимую роль в возникновении шизофрении».
«Исследователи изучили трехмерную структуру ДНК незрелых нейронов коры головного мозга, чтобы понять, оказывают ли влияние обнаруженные ими замены на сворачивание хроматина, а также на функционирование различных генов».
P.S. Как доказать, что это тот самый «ген шизофрении» — в принципе также, как и для генов депрессии, аутизма и любого другого сложного неврологического заболевания (мы описывали пример случая с аутизмом
). Вкратце: найти убедительный ген-кандидат (ну или некодирующий участок ДНК), изменить его у мышей и посмотреть, становятся ли мыши шизофрениками. Всё. Остальное – это ассоциации, корреляции и детали механизмов, которые важны (или могут быть важны) для развития шизофрении.
Школа молодых нейронов
Мы уже писали, что во-первых, нейроны
во взрослом возрасте за счет деления нервных стволовых клеток, а, во-вторых, внешние факторы вроде стресса и физической активности
этого восстановления. Второй обзор заканчивался словами «и многое неясно, но было бы очень интересно узнать». И вот, в последнем номере
, как «богатая» окружающая среда помогает регенерации нейронов, а именно — встройке новых нейронов в уже существующую нейронную сеть.
В гиппокампе взрослого мозга существует пул нервных стволовых клеток, которые при определённых обстоятельствах могут делиться и давать начало новому поколению зубчатых гранулярных нейронов. Путь от неспециализированной стволовой клетки, способной делиться неограниченное количество раз, к специализированной зубчатой гранулярной клетке включает пять стадий: деление стволовой клетки, специализация и «созревание» дочерних клеток, их миграция, развитие аксонов и дендритов у взрослого нейрона и, наконец, образование синапсов. Развитие у взрослых идет очень медленно — весь процесс занимает 2-3 месяца.
Последняя стадия в созревании новых нейронов – образование синапсов с соседними нейронами — самая продолжительная (занимает 4-6 недель). Логично предположить (что и сделали исследователи из Университета Буэнос-Айреса), что среда, скорее всего, будет оказывать влияние на эту стадию, как самую длительную и функционально гибкую (существуют очень много вариантов, где и как новым нейронам кооперироваться со старыми – где и как образовывать синапсы).
Для начала исследователи погрузили мышей на два дня в «обогащённую» предметами среду, то есть сделали из них «исследователей» пространства. Как и ожидалось, у мышей активировалась зубчатая извилина гиппокампа. Интересно, что если сравнивать с контрольной группой, то у мышей-исследователей новые, развивающиеся нейроны в гиппокампе стали выглядеть по-другому: у них образовались более длинные дендритов и увеличилось их количество. То есть, они теперь смогут более быстро и эффективно встроиться в нейронную сеть.
После этого исследователи пошли по стопам Шерлока Холмса – а что, если есть сообщники? Например, образование новых дендритов у юных нейронов может стимулироваться сигналами от «дедов» – уже зрелых, встроившихся нейронов. И действительно, при стимуляции зрелых нейронов (и отсутствии «обогащённой» среды) у молодых нейронов дендритов тоже становилось больше. При этом взрослые гранулярные нейроны воздействовали на «воспитание» молодых нервных клеток через посредников – интернейроны (отдельный подтип клеток в гиппокампе), экспрессирующие парвальбумин.
Таким образом, получается следующая цепочка из двух синапсов для ускоренного принятия новых нейронов в «клуб» зрелых зубчатых нейронов. При исследованиях «богатой» среды активируется зубчатая извилина гиппокампа, в том числе зрелые гранулярные нервные клетки. Они, в свою очередь, активируют интернейроны, вырабатывающие парвальбумин, а те начинают «тормошить» незрелые, чтобы молодняк быстрее становился в строй.
К сожалению, авторы не пишут, сколько «подозреваемых» популяций нейронов они перебрали и протестировали перед тем, как получить такой элегантный ответ – определённо видится остросюжетный сериал по поиску виновного с как минимум несколькими сезонами. Несомненно и другое – любой педагог согласится с выводами нейробиологов: чем богаче среда окружает малыша, тем быстрее он становится более смышлёным и сообразительным.
Даша Овсянникова, научный обозреватель