Об этом исследовании рассказала в своем выступлении магистрант Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета Анастасия Чвилева на 14-й Международной мультиконференции «Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология» (14th International Multiconference «Bioinformatics of Genome Regulation and Structure / Systems Biology» (BGRS/SB), проходившей в Новосибирском государственном университете. Молодая исследовательница работает в секторе геномных механизмов онтогенеза ИЦиГ СО РАН под научным руководством младшего научного сотрудника Татьяны Александровны Шнайдер.
— В ходе эволюции человеческий мозг довольно сильно изменился. Усложнение строения головного мозга привело к значительному удлинению этапов его развития, любые отклонения в которых могут приводить к нервно-психическим расстройствам. Одним из распространенных расстройств считается нарушение интеллектуального развития. Оно имеет высокий уровень сопутствующих нейропсихиатрических патологий, причины которых часто скрываются в наследственных факторах. Одной из причин возникновения нарушений умственного развития считаются вариации числа копий генов, участвующих в развитии мозга человека. Одним из таких генов является CNTN6. За последние десять лет исследователи из разных лабораторий выявили более 200 пациентов с различными мутациями в этом гене. При этом в подавляющем большинстве описанных клинических случаев отклонения были вызваны крупными хромосомными мутациями, — рассказала Анастасия Чвилева.
Классические модельные объекты – в частности, мыши, для исследования механизма возникновения нарушений умственного развития не подходили – различия в строении и функционировании головного мозга у людей и грызунов слишком велики. Проблема решилась благодаря появлению метода получения церебральных органоидов.
Церебральные органоиды — это трехмерные клеточные культуры, формирующиеся из плюрипотентных стволовых клеток. Церебральные органоиды воспроизводят основные этапы развития коры больших полушарий головного мозга человека вплоть до 3 месяца внутриутробного развития, включая уникальную клеточную архитектуру головного мозга. Эта уникальная методика позволяет реконструировать развитие мозга in vitro как в норме, так и при различных патологиях.
— С помощью данной технологии ученым из нашей лаборатории впервые удалось описать мутантный фенотип церебральных органоидов, вызванный мутациями в гене CNTN6. В ходе проведения множества экспериментов мы выяснили, что крупные мутации могут приводить к удалению каких-либо функционально-значимых элементов в гене CNTN6 и, как следствие, к более тяжелым проявлениям. Мы занялись изучением локальных участков, которые, возможно, могли регулировать не только ген CNTN6, но также гены, расположенные рядом с ним, и в результате выявили зоны ускоренного развития — два HARs (human accelerated regions), которые представляют собой преимущественно некодирующие последовательности ДНК, консервативные у млекопитающих, но начавшие в ходе эволюции накапливать специфические для человека мутации, — объяснила Анастасия Чвилёва.
Human accelerated regions (HARs) — это консервативные последовательности ДНК млекопитающих, начавшие в ходе эволюции накапливать специфические для человека мутации. Эти последовательности обычно находятся в интронных и межгенных областях генома человека рядом с генами, участвующими в процессах эмбрионального развития.
Исследования с использованием различных вычислительных подходов и данных функциональной геномики позволили установить, что многие HARs являются своеобразными усилителями генов развития и могли сыграть одну из ключевых ролей в эволюции головного мозга человека. В последние годы получены клинически значимые свидетельства связи мутаций в HARs c различными невропатологиями, такими как расстройства аутистического спектра, шизофрения и болезнь Хантингтона.
Исследователи лаборатории решили локально исследовать, как эти участки ДНК повлияют на развитие мозга человека. Для изучения их роли в нейрогенезе человека они удалили из генома клеток участки, содержащие HAR, и вырастили из них церебральные органоиды. Первые результаты показали, что эффект от удаления получается довольно серьезным. Было обнаружено, что удаление этого HAR приводит к заметному уменьшению размеров церебральных органоидов. Кроме того, уже на 20 сутки эмбрионального развития в церебральном органоиде наблюдались значительные нарушения в формировании корковых зачатков.
— Таким образом мы выяснили, что исследуемый нами HAR может влиять на развитие головного мозга человека in vitro. Первые результаты показали, что эффект от его удаления из гена CNTN6 получается довольно серьезным. Сейчас наша научная группа в ходе работы над проектом, поддержанным грантом РНФ (проект № 24-24-00447), намерена более детально изучить и описать, как «выключение» каждого HAR-элемента, расположенных в гене CNTN6, влияет на процесс нейрогенеза и может быть вовлечено в механизм развития умственной отсталости. Пока ожидается, что результаты будут носить фундаментальный характер, но не исключено, что в будущем они найдут применение в высокотехнологичной медицине, — сказала Анастасия Чвилева.
