Учёные создали карту работы клеток при формировании мозга

Эти четыре изображения показывают паттерны экспрессии генов в нервных пластинках нормальных (слева) и мутантных по гену Sonic Hedgehog (справа) эмбрионов. Понимание того, как эти гены правильно распределяются в пространстве, является критически важным шагом в понимании формирования мозга. В этом исследовании авторы изучили экспрессию генов в отдельных клетках, чтобы понять, как возникают эти паттерны. Автор: Университет штата Северная Каролина

Изучение процесса формирования мозга проливает свет на то, насколько развитие представляет собой серию крошечных чудес. Всего через несколько недель после оплодотворения человеческой яйцеклетки лист клеток, называемый нервной пластинкой, расширяется, растягивается и сворачивается, создавая трубку. Этот изящный танец клеток формирует то, что станет нашим головным и спинным мозгом — основой наших мыслей, чувств и действий.

То, как клетки «понимают», чем им предстоит стать, до конца не изучено, но новое исследование Эрика Брукса, биолога развития из Колледжа ветеринарной медицины Университета штата Северная Каролина, и его коллег предлагает подсказки.

Изучая, как паттерны экспрессии РНК меняются в клетках с течением времени у очень ранних эмбрионов мышей, учёные разработали карту нервной пластинки и проследили за её превращением в нервную трубку. В процессе Брукс и его коллеги показали, что могут определить, куда будет двигаться клетка в раннем мозге, основываясь исключительно на РНК, которую эта клетка экспрессирует.

Опубликованные в журнале eLife, эти находки могут помочь учёным по всему миру в понимании развития мозга — и того, как предотвратить нарушения этого развития.

Все эмбрионы начинаются как шар клеток. Эти клетки размножаются и дифференцируются со временем в ткани, которые мы узнаём как мышцы, кости, мозг и органы. Клетки, которым предстоит стать центральной нервной системой — головным и спинным мозгом — одними из первых встают в строй.

Брукса всегда интересовало, как клетки понимают, куда им двигаться, как они осознают своё конечное место и роль.

«Многих людей фундаментально интересует, откуда берётся мозг», — говорит Брукс.

Учёные знают, что химические сигналы формируют градиенты — концентрации, которые помогают направлять клетки туда, где им нужно быть. Но изменения, происходящие внутри этих клеток — изменения, которые превратят эти клетки в разные типы нейронов и клеток поддержки, все взаимодействующие друг с другом высокоспецифичными способами — остаются загадочным танцем.

«Что на самом деле помогает дифференцировать эти клетки друг от друга? — задаётся вопросом Брукс. — Или позволяет им делать специфические вещи, например, создавать форму ткани?»

Сотрудничество с вычислительными биологами

Сложная хореография предлагает множество возможностей для ошибок.

«Дефекты формирования этой структуры, черепной нервной трубки или нервной трубки в более широком смысле, являются одними из самых распространённых пороков развития у людей», — говорит Брукс, отмечая, что они затрагивают одного из каждых 2000 новорождённых.

Если дефекты находятся в части трубки, формирующей конечное спинной мозг, результатом могут быть типы спина бифида. Но если трубка не закрывается в черепном регионе, который станет мозгом, «это несовместимо с жизнью», — говорит Брукс.

Чтобы лучше понять пути, которые проходят клетки, и как они достигают своих конечное судеб, Брукс сотрудничал с лабораториями вычислительного биолога Даны Пеер и биолога развития Дженнифер Заллен, исследователей Медицинского института Говарда Хьюза в Онкологическом центре Memorial Sloan Kettering, чтобы изучить экспрессию РНК в клетках черепной нервной пластинки мыши.

Построение атласа экспрессии РНК одиночных клеток во время закрытия черепной нервной трубки мыши. Автор: eLife (2025). DOI: 10.7554/eLife.102819.3

Внутри каждой клетки ДНК предлагает одно и то же руководство по эксплуатации. Каждая клетка извлекает из руководства разную информацию для выполнения своих задач, транскрибируя инструкции в РНК. Отслеживая, какую РНК экспрессирует клетка, учёные могут определить, какие гены клетка использует для руководства своей деятельностью.

Брукс и его коллеги тщательно изолировали клетки из эмбрионов мышей между 7,5 и 9 днями после оплодотворения — временем, когда нервная пластинка расширяется и закрывается, формируя нервную трубку у мышей. Они использовали технику под названием секвенирование РНК одиночных клеток, чтобы разделить более 17 000 клеток и показать, какая РНК была активна в каждой клетке.

Учёные затем смогли построить набор карт, показывающих, где разные клетки экспрессировали специфическую РНК в разные моменты времени. Результатом стал прекрасный клеточный атлас, с цветами, заливающими разные области в специфические моменты времени, пока клетки делятся и меняются в течение 1,5 дней.

Брукс и его коллеги показали, что экспрессия РНК каждой клетки может быть использована для определения того, откуда произошла клетка — из переднего, среднего или заднего мозга. Другие паттерны экспрессии показывали, произошли ли клетки из середины пластинки или ближе к внешнему краю.

Ген Sonic Hedgehog

Учёных также интересовал конкретный ген под названием Sonic Hedgehog. Экспрессия этого гена запускает каскад других генетических сигналов.

«Сам Sonic Hedgehog экспрессируется в своего рода узкой полосе прямо по средней линии ткани», — объясняет Брукс.

Слишком сильная сигнализация Sonic Hedgehog может вызывать проблемы с закрытием нервной трубки — прерывая развитие ранних структур мозга. С помощью своего атласа секвенирования РНК Брукс и его коллеги смогли подтвердить некоторые из своих предыдущих находок, показав, как сверхэкспрессия Sonic Hedgehog влияла на нервную трубку. Мутации в гене останавливали складывание краёв нервной пластинки и формирование трубки в принципе.

«Одна из действительно захватывающих вещей в развитии — это то, что оно в целом прогрессивно, — говорит Брукс. — Вы строите на том, что уже произошло. И поэтому стадии, которые мы выделили в этом атласе, действительно важны».

РНК-карта показывает, как клетки начинают организовываться, а также предоставляет подсказки относительно их клеточного будущего, какие роли они могут играть и какие связи конечное формировать.

Брукс надеется, что другие учёные также будут использовать этот атлас для вопросов о самом раннем развитии мозга.

«Это определённо то, что мы считаем ресурсом для сообщества», — говорит он.

Многие вопросы о том, как взаимодействуют клеточные слои раннего эмбриона, остаются без ответа. С помощью атласа учёные, возможно, смогут лучше понять, как эмбрион переходит от нескольких слоёв простых клеток к огромной сложности полностью сформированного человеческого мозга.

Больше информации: Eric R Brooks et al, A single-cell atlas of spatial and temporal gene expression in the mouse cranial neural plate, eLife (2025). DOI: 10.7554/eLife.102819.3

Источник: North Carolina State University

ИИ: Это фундаментальное исследование открывает новые горизонты в понимании самого начала формирования мозга. Возможность предсказывать судьбу клетки по её РНК-профилю — это прорыв, который может помочь в изучении не только нормального развития, но и причин врождённых патологий нервной системы. Особенно впечатляет временной аспект — отслеживание изменений в течение 36 часов развития.