На протяжении долгой истории развития нейробиологии ученые придерживались догмы: мозг взрослого человека не подвержен изменениям. Однако в ходе нового исследования впервые было показано, что значительное количество мутаций присутствует в мозговом веществе абсолютно здоровых людей, причем чаще всего они обнаруживаются в генах, которые нейрон использует наиболее активно. Попробуем разобраться, как этим можно воспользоваться и чем это грозит.
Мутации: патология или норма?
Каждая клетка нашего тела была создана путем деления клеток-предшественниц, которые, в свою очередь, восходят в развитии к зиготе. Значит ли это, что общий путь развития всех клеток организма обеспечивает общность генетического материала? Нет, и виной тому — мутации (рис. 1).
Рисунок 1. «Древо развития» мутаций в организме человека. Нарушения, обнаруженные в коре головного мозга, часто встречаются и в периферических органах.
Мутации — коварные преобразования ДНК, которые страшны тем, что могут возникать в клетках любых тканей многоклеточного организма и на любых стадиях его развития. Распространено мнение, что мутации опасны потому, что могут наследоваться потомством. Действительно, мутации, передающиеся по наследству, приводят к возникновению и развитию таких серьезных заболеваний нервной системы, как шизофрения, аутизм, болезнь Альцгеймера. Виной тому — приобретаемые детьми генетические нарушения половых клеток родителей. Однако существуют и другие, ненаследуемые мутации, которые возникают в соматических клетках человека на протяжении всей его жизни.
Большинство людей имеет определенное количество соматических мутаций. Известным примером следствий соматических мутаций является появление опухолевых клеток, для которых характерны генетические нарушения. Однако далеко не всегда соматическая мутация приводит к развитию онкологических заболеваний. Часто изменения генома не выливаются в какие-либо серьезные заболевания и могут встречаться у полностью здоровых людей. До настоящего момента ученые точно не знали, накапливаются ли они в головном мозге в таком количестве, чтобы послужить причиной серьезных нарушений нервной системы.
По мере роста и взросления человека геномы нейронов его головного мозга накапливают существенные различия. К такому выводу пришли ученые Бостонской детской больницы и Гарвардской медицинской школы, опровергнув утверждение, что мозг взрослого человека не изменяется в течение жизни.
Результаты недавнего исследования показали, что значительное количество соматических мутаций можно обнаружить в мозге полностью здоровых людей. Так, со временем геномы нейронов головного мозга человека начинают различаться — появляется мозаицизм. Это научное открытие позволит изучать роль соматических мутаций отдельных нейронов в развитии человека и ряда нервно-психических заболеваний.
Сколько мутаций может содержать в себе геном нейрона?
Ранее не было точно известно, способны ли соматические мутации, возникающие в нейронах головного мозга, провоцировать возникновение и развитие нейродегенеративных заболеваний. Для того чтобы установить истину, ученые решили изучить особую разновидность мутаций — однонуклеотидные варианты (single-nucleotide variants, SNVs). Эти нарушения могут возникнуть в нескольких или даже всего в одной клетке головного мозга. Исследователи проанализировали 36 нейронов, взятых из головного мозга трех умерших людей: 15-летней девушки, 17-летнего юноши и 42-летней женщины, которые не страдали нейродегенеративными заболеваниями.
Используя методы капиллярной цифровой полимеразной цепной реакции (digital PCR) и секвенирования геномов единичных клеток, ученые обнаружили, что каждый отдельный нейрон из трех образцов ткани мозга содержит в среднем от 1468 до 1580 однонуклеотидных вариантов (рис. 2). И если появление SNVs в опухолевых клетках связано преимущественно с ошибками при репликации ДНК, то нейронные мутации возникают в основном вследствие активной транскрипции генов.
Рисунок 2. Карта мутаций генома корковых нейронов одного человека. 136 нейронов головного мозга 17-летнего человека распределены по четырем группам (обозначены разными цветами), выделенным по одной или нескольким мутациям (буквами A-D обозначены 18 клональных соматических мутаций).
Дополнительно ученые сравнили гены нервных клеток с генетическим материалом, взятым из других тканей — в частности, сердца и кожи. Этот анализ показал, что мутации в нейронах в целом совпадают с однонуклеотидными вариантами в других типах клеток, то есть такие мутации присутствуют и в нейронах, и в других частях организма человека. Более того, был установлен следующий интересный факт: в ряде случаев клетки коры мозга показывали более высокую степень родства не с соседними нейронами, а с другими клетками организма (например, кардиомиоцитами).
Также было проведено исследование нервных клеток, взятых из разных областей головного мозга, с целью обнаружения аналогичных мутаций. Полученные результаты позволили сделать предположение о происхождении нервных клеток.
«Генеалогическое древо» нейронов
Мутации возникают как за счет ошибок копирования ДНК, которые потенциально могут сопровождать каждый репликационный цикл, так и в результате иных мутационных процессов — например, под действием ультрафиолетового света. Закономерное следствие — каждая клетка организма может иметь свой собственный уникальный геном, который несет в себе информацию о происхождении и развитии клетки, воздействии на нее внешних факторов. Такие «записи» онтогенеза отдельных клеток позволят создать их «родословное древо».
В разных клетках происходят разные мутации, что обеспечивает несходство геномов. Кроме этого, мутационный профиль несет в себе долговременную память о происхождении и развитии каждой клетки. Информация, полученная при секвенировании геномов индивидуальных нейронов, может быть использована для декодирования всей картины развития человеческого мозга — для реконструкции своеобразного «генеалогического древа» нейронов. Этот подход позволит расширить знания о природе возрастных заболеваний и выявить различия между мозгом человека и мозгом других животных.
Основоположником генеалогии можно считать Чарльза Дарвина, который впервые изобразил филогенетическое древо живых организмов еще в 1837 году. В его основу легла идея о том, что все виды живых существ связаны друг с другом общим происхождением, подобно ветвям дерева, которые объединяет общий корень. Подобные мысли использовали при создании клеточной теории ученые Т. Шванн и М. Шлейден, определившие клетку как единый структурный элемент всех живых организмов. Наконец, более чем через 150 лет, в 2005 году, Д. Фрумкин и соавторы в своем исследовании показали, что соматические мутации присутствуют в клетках в достаточном количестве и могут быть использованы для воссоздания взаимосвязей всех клеток человека. Таким образом, далеко не свежие идеи лежат в основе нового заключения о том, что каждый человек несет в себе собственное (клеточное) генеалогическое древо.
Кристофер Уолш и другие сотрудники Гарвардской медицинской школы в результате исследования однонуклеотидных вариантов предложили подход к установлению происхождения нервных клеток человека. Так, если в двух отдельно взятых нейронах присутствуют одни и те же мутации, то они с высокой долей вероятности происходят от одной клетки-предшественницы. В том случае, если совпадает лишь часть мутаций, пути развития нейронов в какой-то момент времени разошлись.
Сравнивая геномы нейронов и других клеток организма, можно сделать следующий вывод: если какая-то мутация присутствует и в головном мозге, и в других соматических клетках — она возникла на раннем этапе онтогенеза. Если же определенная мутация встречается лишь в некоторых нейронах, это говорит о том, что она появилась сравнительно недавно. Таким образом можно проследить «родословную» нейронов вплоть до конкретного дня эмбрионального развития.
«Движение — это смерть»
Выше упоминалось, что мутации, обеспечивающие различия геномов соматических клеток, могут быть вызваны многими факторами. Так, длительное время считалось, что основной причиной мутаций в клетках головного мозга являются ошибки репликации ДНК. Однако в результате настоящего исследования ученые установили, что нарушения возникают не во время деления клетки, а при экспрессии генов. Всем известный девиз «Движение — это жизнь» не работает в случае соматических мутаций нейронов. Исследователи установили, что каждый раз, когда гены нейронов нашего мозга начинают активно работать — запуская программу синтеза новых белков, — появляется определенный риск возникновения мутаций.
Ученые пришли к выводу о том, что мутации в головном мозге накапливаются с возрастом и могут быть причастны к развитию нейродегенеративных заболеваний. Получается, что любой человек, сколь бы здоровым он ни был, является носителем огромного количества соматических мутаций — своеобразных «факторов риска». Чем это реально может грозить и как этого избежать — покажет время и будущие исследования нейробиологов.
Источник: БИОМОЛЕКУЛА
