Текст уведомления здесь

Ау, аутизм

Как в поисках причины аутизма ученые погружаются в омут больших данных и учатся растить мозги в пробирке

Еще недавно психические заболевания изучали в больницах, исследуя физиологию и поведение больных. Но когда такие исследования не дают ответов на ключевые вопросы, в дело вступают новые, часто далекие от реальных пациентов технологии. «Чердак» рассказывает, что удалось узнать о природе аутизма с помощью эпигенетических меток, больших данных и мозгов, выращенных в пробирке.
Добавить в закладки
Комментарии

Аутизм относится к той группе заболеваний, про которые мы чем больше узнаем, тем меньше понимаем  — психических. В отличие от неврологических болезней, например, болезни Альцгеймера или хореи Гентингтона, которые тоже приводят к отклонениям в поведении, психические заболевания зачастую не видны на уровне клеток и тканей.

Если какой-нибудь паркинсонизм с легкостью распознает гистолог, только взглянув на препарат мозга — на нем будут явно заметны органические повреждения нервной ткани, ведущие к гибели клеток — то мозг аутиста или шизофреника он «по фотографии»  диагностировать не сможет. И хотя это не значит, что лечить болезнь Альцгеймера мы умеем лучше, чем шизофрению, мы, как минимум, уже можем искать причину поражения ткани и способ с ней бороться.

В случае психических болезней повреждения мозга не органические, а функциональные. Их не видно в микроскоп.

О каждом таком заболевании мы обладаем множеством разрозненных фактов, которые с трудом складываются в общую картину и не помогают найти корень проблемы. Например, мы знаем, что у аутичных детей повышен уровень воспалительных маркеров в крови. Или что у них беднее состав кишечной микробиоты, чем у их здоровых сверстников. Но протянуть нить взаимосвязей между особенностями поведения, областями мозга, клетками и белками пока не удается.

Поэтому некоторые исследователи решили зайти с другого конца — и заглянуть прямиком в гены.

Утонуть в мозге

Все началось в 1990 году с проекта Human Genome Project, который поставил своей целью полное прочитывание (секвенирование) генома человека. В 2003 году окончательная версия генома была опубликована, и стало возможным сравнивать последовательности отдельных участков у разных людей. Следующий шаг — выяснить, за что они отвечают. И наследником Human Genome Project в 2004 году стал проекта ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), участники которого — сотни ученых и десятки лабораторий — последовательно картируют области ДНК и находящиеся на них гены и некодирующие участки.

И пока ENCODE методично отсматривает ген за геном, от него отпочковался новый филиал — консорциум PsychENCODE, который сфокусировался на мозге, а точнее — на некодирующих участках генома, которые в нем активны. Образцы нервной ткани, особенно из головного мозга, добыть и проанализировать непросто, поэтому приходится объединять усилия, чтобы собрать достаточное количество данных. Сейчас в состав PsychENCODE входят это 114 человек из 14 лабораторий и клиник, и за три года они изучили около двух тысяч образцов нервной ткани. Отчету PsychENCODE посвящена половина свежего номера журнала Science.

Накопленные PsychENCODE данные позволяют сравнивать последовательности ДНК здоровых людей и аутистов. Но до сих пор ученым не удалось уличить какой-либо конкретный ген в том, что он вызывает аутизм. Единственное, что получается обнаружить, — «однобуквенные» различия в генах, так называемые однонуклеотидные вариации. В поисках этих «соринок» в геноме, авторы одной из этих отчетных статей, ученые Алексей Абызов и Флора Ваккарино, со своей командой решили составить карту генов и регуляторных участков ДНК, работающих в мозге на разных стадиях развития. И затем уже искать на этой карте, где «зарыт» аутизм, то есть на каком этапе включаются связанные с аутизмом вариации.

Читайте также: Точечные мутации начинают преследовать нас еще до нашего фактического рождения. Но уже есть инструмент, который умеет их исправлять.

Лабораторные организмы органы

Так как пронаблюдать за развитием мозга человека in vivo мы не можем, остается вырастить его своими руками. В последние годы мы слышим множество новостей о том, что ученым удалось смоделировать клеточное строение того или иного органа (недавно, например, плаценты) — такую модель называют органоидом. Она воспроизводит структуру ткани и основные свойства клеток (например, сокращение мышцы или выделение веществ), но полностью зависит от внешних источников энергии и сигналов. Органоиды получают из плюрипотентных клеток, направляя их дифференцировку в нужную сторону. Группе Абызова и Ваккарино удалось вырастить органоиды, имитирующие развитие коры больших полушарий человека вплоть до 16-й недели после зачатия.

Органоиды мозга, которые выращивали ученые для того, чтобы «поймать» гены, связанные с развитием аутизма
Органоиды мозга, которые выращивали ученые для того, чтобы «поймать» гены, связанные с развитием аутизма | Vaccarino Lab
Органоиды мозга, которые выращивали ученые для того, чтобы «поймать» гены, связанные с развитием аутизма
Органоиды мозга, которые выращивали ученые для того, чтобы «поймать» гены, связанные с развитием аутизма | Vaccarino Lab
Органоиды мозга, которые выращивали ученые для того, чтобы «поймать» гены, связанные с развитием аутизма
Органоиды мозга, которые выращивали ученые для того, чтобы «поймать» гены, связанные с развитием аутизма | Vaccarino Lab

Чтобы удостовериться, что эти органоиды функционируют так же, как и настоящий мозг, ученые использовали данные абортивного материала на разных стадиях — их тоже собирают участники PsychENCODE. Сравнив транскрипты (то есть РНК-копии) генов, активных в органоидах и в коре больших полушарий эмбрионов, исследователи убедились в том, что работа клеток рукотворного мини-мозга практически не отличается от настоящего. И, значит, можно заниматься составлением карты генов прямо в пробирке, точнее, в чашке Петри.

Взгляд поверх генов

Дальше задача кажется несложной. Нам уже известны однонуклеотидные вариации, связанные с аутизмом. Можно запустить развитие органоида мозга, время от времени проверять, какие гены активны в клетках, и ждать, на какой стадии начнут работать те гены, с которыми связаны вариации. Но этого, к сожалению, недостаточно. Как пишут авторы другой статьи, тоже вошедшей в этот выпуск Science, далеко не все «аутичные» вариации связаны с кодирующими участками ДНК. Тогда задача усложняется: нужно проверить не только то, какие гены работают в клетках, но и какие элементы регулируют их работу. То есть в дело вступает эпигенетика.

Чтобы в клетке человека заработал тот или иной ген, должны совпасть множество факторов: нить ДНК в области гена должна быть развернута, с ней должны связаться белки-регуляторы, а рядом с регуляторами должны оказаться другие последовательности ДНК — энхансеры или репрессоры — с которыми связываются другим концом белки-регуляторы, активирующие или запрещающие работу гена. Чтобы функционировать, каждая из таких некодирующих последовательностей тоже должна быть развернута.

За скручивание и раскручивание нитей ДНК отвечают белки-гистоны, которые могут быть метилированы (тогда они лучше слипаются с ДНК, и нить скручивается) или ацетилированы (тогда они сильнее отталкиваются от ДНК, и нить разворачивается). Метильные и ацетильные группы на гистонах называют эпигенетическими метками, и по тому, где они толпятся, можно понять, , активен (раскручен) или нет (свернут) тот или иной участок некодирующей ДНК, а следовательно — работает или нет подчиненный ему ген. Поэтому, если однонуклеотидная вариация возникает в энхансере или репрессоре, то его могут по-другому распознать белки, ставящие эпигенетические метки. Тогда активность участка-регулятора изменится, а вслед за ней — и активность гена.

Анализируя работу генов и регулирующих их участков, исследователи смогли выделить три крупных кластера в геноме. Первый — ранний, активный в первые 10 дней жизни органоида, когда клетки только начинают становиться  клетками коры. В этот момент постепенно падает активность генов (и их регуляторов), связанных с делением клетки и репарацией ДНК. Второй — поздний, активный с 11-го по 30-й день, когда клетки специализируются. При этом окончательно «замолкают» гены деления и снижается активность генов плюрипотентности. Гены третьего кластера постепенно активируются в течение всего периода дифференцировки; они отвечают за прилипание нервных клеток друг к другу, образование синапсов и выделение нейромедиаторов — основные свойства профессиональных нейронов. Где же среди всего этого корни аутизма?

Корни где-то здесь

Исследователи обратились к базе данных фонда исследований аутизма Simons Foundation. Из генов, которые связаны с заболеванием, более 80% совпали с теми, что были активны в органоидах — то есть 8/10 генов, сбои в работе которых приводят к аутизму, нужны на самых первых этапах развития мозга. Из этих генов почти четверть работает только на ранних или только на поздних стадиях, то есть отвечает за какие-то уникальные для каждой стадии развития функции клеток. При этом в первые дни жизни органоидов таких «уникально» активных генов  в 5 раз больше, чем на поздних этапах дифференцировки.

Что все это значит? То, что все самое интересное для понимания генетической природы аутизма происходит до 16-й недели развития мозга.

И что функциональные повреждения мозга возникают в самом начале формирования нервной ткани, задолго до того, как отдельные клетки специализируются и примут на себя конкретные «обязанности».

Но это не все, чем примечательны ранние стадии развития мозга. Авторы статьи обнаружили, что из 9 тысяч «человеческих» энхансеров — то есть таких, которые активнее работают у зародышей человека, чем у мышей и макак — около 70% функционируют и в органоидах. Это  говорит нам о том, что «человеческая сущность», принципиальное отличие человека от других млекопитающих, не обладающих настолько сложным поведением, закладывается еще в первые месяцы развития, причем на этапах деления отдельных нервных клеток.

Впрочем, несмотря на то, что и аутизм, и «человечность» возникают в один временной промежуток, едва ли они как-то связаны между собой. Как пояснил «Чердаку» Алексей Абызов, «у нас пока нет указаний на то, что регуляторы аутизма и те, что “делают нас людьми”, перекрываются. Возможно, что это два разных набора регуляторов».

Тем не менее, у нас могут появиться новые возможности для ранней (возможно, пренатальной) генетической диагностики аутизма. «Возможно, — не исключает Абызов, — по генетике мы сможем частично предсказать симптомы».

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Врожденные опечатки

Большинство точечных мутаций возникают в мозге человека еще до рождения

Коллектив американских ученых провел тонкую и кропотливую работу: они извлекали ДНК из отдельных нейронов эмбрионов человека и искали в них мельчайшие, «однобуквенные» отличия. Оказалось, что больше половины точечных мутаций появляются уже на ранних стадиях развития эмбриона, что возникают они гораздо быстрее, чем у взрослых людей, и что некоторые из них похожи на мутации в раковых клетках.
Добавить в закладки
Комментарии

Не все клетки одинаково полезны

Принято считать, что все неполовые клетки в организме здорового человека генетически идентичны. Грубо говоря, это значит, что если взять две клетки кожи, то мы обнаружим в них одинаковые последовательности ДНК. Однако это утверждение верно лишь до некоторой степени. Если бы инопланетяне, впервые попавшие на Землю, посмотрели на толпу людей, то тоже, вероятно, решили бы, что все люди одинаковы. Но мы-то знаем, что это не так.

Вот и с клетками так же. Клетки нашего организма в течение жизни накапливают генетические различия. Это явление называют мозаицизмом. Различия могут быть глобальными — например, если в клетке в результате неудачного деления остаются лишние хромосомы. Бывают различия поменьше — например, перемещение подвижных частей ДНК (мобильных элементов) из одной области генома в другую. Но некоторые изменения настолько малы, что их не каждый раз удается обнаружить. Это однонуклеотидные вариации — отличия в одной-единственной букве (нуклеотиде) среди большого текста ДНК. Их относят к точечным мутациям.

Даже минимальное изменение последовательности гена может привести к нарушению его работы. Самый известный пример — серповидноклеточная анемия, при которой замена одного(!) нуклеотида в гене глобина сказывается на последовательности белка гемоглобина. Гемоглобин неправильно сворачивается, отчего несущие его эритроциты принимают форму серпа и хуже переносят кислород. По такому же принципу может происходит опухолевая трансформация: изменение одного нуклеотида может привести к тому, что белок станет работать хуже или, наоборот, лучше. А если этот белок контролирует, скажем, деление клетки, то это может стать причиной развития опухоли. [ ... ]

Читать полностью

Исправляя А-Т на Г-Ц

Создан инструмент корректирования генома по буквам

Редактирование геномов на базе системы CRISPR-Cas9 продолжает свое триумфальное вторжение в нашу жизнь. На наших глазах рождается технология точечного редактирования оснований — отдельных букв нашего генома. Возможно, именно ей предстоит стать основной рабочей лошадкой медицинской генетики будущего.
Добавить в закладки
Комментарии

Грубо говоря, жизнь — это воспроизведение неточно самокопирующихся систем. И неточность тут так же важна, как и копирование: ошибки наследования делают живые организмы разными, а значит дают кому-то из них шанс на «апгрейд» приспособленности к условиям окружающего мира, постоянно подбрасывая эволюции новый материал для отбора. Но то, что хорошо для живого в целом, не всегда хорошо для конкретного организма — особенно если он обременён разумом и амбициями.

Изменчивость, в особенности мутационная, частенько наделяет нас помимо нашей невыносимой неповторимости ещё и некоторыми наследственными заболеваниями. Особенно заметно это на примере точечных мутаций, которыми в основном и отличаются друг от друга наши геномы.

Перед тем, как продолжить, давайте устроим себе короткий экскурс в молекулярную биологию. Каждая из двух цепей спирали ДНК состоит из нуклеотидов. Самая важная для хранения информации часть нуклеотида — его азотистое основание. Всего этих оснований четыре штуки: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Эти основания из двух разных цепей развёрнуты к центру двойной спирали, где аденин дополняет тимин (и наоборот), образуя с ним пару А-Т; подобные же отношения связывают и гуанин с цитозином, формирующих пару Г-Ц. Именно этой азбукой и записывается информация об аминокислотной последовательности всех белков нашего организма.

В коллаже использованы иллюстрации chromatos / Фотодом / Shutterstock
В коллаже использованы иллюстрации chromatos / Фотодом / Shutterstock

[ ... ]
Читать полностью
Фрагмент Королевских ворот в Хаттусу, столицу Хеттской империиStylone / Фотодом / Shutterstock

Бронзовый коллапс, или Куда делись все эти люди

Чем был вызван кризис средиземноморских цивилизаций три тысячи лет назад

В конце второго тысячелетия до нашей эры в Греции и на Ближнем Востоке — в Месопотамии, в Древнем Египте, в Сирии, в Малой Азии — творились очень странные дела. Великие царства бронзового века одно за другим уходили в небытие, из ниоткуда появлялись новые народы, хроники повествовали о нашествиях, голоде и прочих бедствиях. Историки долго предпочитали винить во всем «народы моря», но теперь, благодаря археологическим данным, полученным в последние годы, у нас, кажется, есть основания иначе отвечать на вопрос, кто виноват в коллапсе «бронзовых» цивилизаций.
Добавить в закладки
Комментарии

Как рассказывает профессор Эрик Клайн из Университета Джорджа Вашингтона, директор Капитолийского археологического института, автор книги «1177 BC: The Year Civilization Collapsed», Средиземноморье позднего бронзового века представляло собой мир, очень похожий на современный, — глобализованное пространство с торговыми нитями, опутавшими всю ойкумену, то есть все страны, составлявшие на тот момент европейскую цивилизацию.

Торговые и культурные связи второго тысячелетия до нашей эры обеспечивали единый высокий технологический уровень городов Греции и Ближнего Востока во всем: в кораблестроении, в архитектуре, в обработке металлов. Чтобы показать протяженность и устойчивость торговых путей бронзового века, достаточно сказать, что олово для выплавки бронзовых изделий поступало, скорее всего, из Афганистана, а медь брали на Кипре.  Города были оснащены системами водоснабжения, инженерный уровень которых античным грекам тысячу лет спустя и не снился.

Все это откатилось назад со страшной скоростью в кратчайшие по меркам истории сроки, чтобы сбросить с древнего мира бронзовый век и позволить ему войти в новый век — железный, в ту историю, которую мы изучаем в школе.

За относительно короткое время — в древнеегипетских надписях зафиксирован промежуток от 1207 до 1177 года до нашей эры — весь прекрасный бронзовый мир растворяется. Торговые связи рушатся. Из известных нам царств бронзового века в более-менее нетронутом виде остается Египет, который теряет контроль над Сирией и Палестиной. Вавилон и Ассирия сохраняют разве что локальное значение. Исчезает микенская цивилизация. Разрушена Троя. [ ... ]

Читать полностью