"Mutantti-fretit" loistavat valoa ihmisen aivojen evoluutioon
Tutkiessaan ihmisen aivojen kehitystä mutantti-frettimallilla tutkijat törmäsivät vahingossa vihjeisiin ylisuurten aivojemme kehityksestä.
Ihmisiä siunataan suhteellisen suurilla aivoilla. Ja viimeisten seitsemän miljoonan vuoden aikana - evoluutioltaan lyhyt aika - aivojemme koko on kolminkertaistunut.
Aivokuori, mutkainen ja taitettu ulkokerros, on erityisen niin ihmisillä. Miksi ja miten aivomme muuttuivat niin rohkeiksi, on paljon keskustelua ja todisteita on tällä hetkellä niukasti.
Miljoonia vuosia sitten tapahtuneiden geneettisten ja biologisten muutosten löytäminen on samanlaista kuin neulan etsiminen heinäsuovasta universumin toisella puolella. Aina niin usein Lady Serendipity hymyilee tutkijoille.
Äskettäin tutkijat useista laitoksista, mukaan lukien Howard Hughes Medical Institute Chevy Chase, MD, Yale University New Haven, CT, ja Bostonin lastensairaala Massachusettsissa, tekivät sarjan tutkimuksia mikrokefaliasta.
Heidän tutkimuksensa olivat hedelmällisiä ja jatkoivat ymmärrystämme mikrokefaliasta, mutta he myös tuovat meidät lähemmäs tuohon neulaan kaukaisessa heinäsuovassa. Heidän havainnot julkaistiin äskettäin lehdessä Luonto.
"Olen koulutettu neurologiksi ja tutkin lapsia, joilla on kehitysvaiheita", kertoo tohtori Christopher Walsh Bostonin lastensairaalasta. "En koskaan uskonut olevani kurkistamassa ihmiskunnan evoluutiohistoriaan."
Kuinka tutkia mikrokefalia
Mikrokefalia sairastavilla vauvoilla on paljon pienempi pää kuin normaalisti, eikä heidän aivokuorensa ole muodostunut oikein. Tämä tila on usein geneettinen, vaikka viime aikoina se on liitetty myös Zika-virukseen.
Kuinka ja miksi aivokuori ei muodostu kunnolla, ei ole täysin ymmärretty. Yksi syy, miksi tämän aiheen tutkiminen on niin hankalaa, on hyvän mallin puuttuminen; hiirimallia käytetään useimmiten, mutta se ei sovi tarkoitukseen.
Hiiren aivot ovat, kuten voit odottaa, pieniä. Hiirillä ei myöskään ole yhtä monipuolista aivosolujen valintaa kuin ihmisillä, ja niiden aivokuori on paljon tasaisempi.
Geeni, joka on yleisimmin mukana mikrokefaliassa, koodaa proteiinia, joka tunnetaan nimellä Aspm. Kun tämä geeni mutatoituu, ihmisen aivot ovat noin puolet normaalista koosta.
Hiirillä, joilla ei ole geeniä - nimeltään Aspm-knockout-hiiriä - heidän aivonsa kutistuvat vain kymmenesosalla. Tästä tuskin havaittavasta muutoksesta ei ole juurikaan hyötyä tutkijoille.
Paremman mikrokefaliamallin etsinnässä tutkijat - joita johti tohtori Walsh ja Byoung-Il Bae Yalen yliopistosta - kääntyivät fretteihin.
Tämä saattaa aluksi tuntua oudolta eläimen valinnalta, mutta sillä on järkevää; fretit ovat suurempia ja niillä on monimutkainen aivokuori, jolla on samat solutyypit kuin ihmisillä. Samoin kuin hiiret, ne lisääntyvät nopeasti ja vapaasti.
Kuten tohtori Walsh selittää, "fretit saattavat näyttää hauskalta valinnalta, mutta ne ovat olleet tärkeä malli aivojen kehitykselle jo 30 vuoden ajan."
Vaikka fretit ovat osoittautuneet hyödyllisiksi aiemmin, frettien genetiikasta ei tiedetä juurikaan, joten Aspm-pudotusversion luominen eläimestä olisi haastavaa. Tohtori Walshia ei kuitenkaan pelätty; hän sai rahoituksen ja aloitti työn.
Aspm-knockout-fretti on vasta toinen ihmiskunnan koskaan luoma knockout-fretti.
Kuten odotettiin, Aspm-poistofrettien aivot olivat jopa 40 prosenttia normaalia pienemmät, mikä toi sen paljon lähemmäksi mikrokefalian ihmisen versiota. Ja kuten ihmisen mikrokefalian kohdalla, aivokuoren paksuus ei muuttunut.
Vihje aivojen evoluutioon
Uuden ja hyödyllisen ihmisen mikrokefalia-mallin suunnittelun lisäksi tutkijat kastivat varpaansa paljon vaikeampaan ongelmaan: kuinka kehitimme niin suuria aivoja?
He tutkivat, kuinka Apsmin menetys vaikutti frettien aivoihin samalla tavalla kuin se. Viat jäljitettiin radiaalisten gliasolujen käyttäytymisen muutoksiin.
Radiaaliset gliasolut kehittyvät neuroepiteelisoluista, jotka ovat hermoston kantasoluja. Ne kykenevät kehittymään useiksi erilaisiksi solutyypeiksi aivokuoressa.
Alkaen kehittyvistä aivokammioista radiaaliset gliasolut liikkuvat kohti muodostavaa aivokuorta. Kun nämä solut siirtyvät kauemmaksi lähtöpisteestään, ne menettävät hitaasti kykynsä kehittyä erityyppisiksi aivosoluiksi.
Ryhmä havaitsi, että Apsm: n puute aiheutti säteittäisten gliasolujen irtoamisen kammioista helpommin ja aloitti migraation aikaisin.
Kun ajoitus oli pois päältä, säteittäisten gliaalisolujen suhde muihin solutyyppeihin heikkeni, mikä johti vähemmän hermosoluihin aivokuoressa. Apsm toimii säätelijänä, soittaa ylös tai alas aivokuoren neuronien kokonaismäärää. Ja tässä on vihje ihmisen aivojen evoluutiosta.
"Luonnon täytyi ratkaista ihmisen aivojen koon muuttamisen ongelma tarvitsematta suunnitella koko asiaa uudelleen."
Byoung-Il Bae
Apsm muuttaa aivojen kehitystä tällä tavalla vaikuttamalla sentriolien tai solujen jakautumiseen osallistuvien solurakenteiden toimintaan. Ilman Apsmia sentriolit eivät tee työtä oikein.
Viime aikoina muutamilla centrioliproteiinien säätelyyn osallistuvilla geeneillä, mukaan lukien Apsm, on tapahtunut evoluutiomuutoksia. Tohtori Walsh uskoo, että juuri nämä geenit voivat erottaa meidät simpansseista tai kaukaisista serkkuistamme neandertalilaisista.
"Sillä on järkeä jälkikäteen", tohtori Walsh sanoo. "Geenit, jotka kokoavat aivomme yhteen kehityksen aikana, on täytynyt olla geenejä, joita evoluutio muutti tekemään aivomme suuremmiksi."
Muuttamalla tätä yhtä geeniä säteittäisten gliasolujen siirtymistä voidaan muuttaa ja aivokuori voi kasvaa suuremmaksi. Nämä tutkimukset tarjoavat uuden mallin mikrokefalialle ja uuden käsityksen pullistuneiden aivojemme alkuperästä.
