Ау, аутизм

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.

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

 

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».