Genetik

İnsan Beyin Gelişiminin Haritalanması – Nörobilim Haberleri

Özet: Beyin organoidleri, araştırmacıların beyin gelişimi sırasında meydana gelen moleküler, genetik ve yapısal değişiklikleri haritalamasına yardımcı oluyor.

Kaynak: ETH Zürih

İnsan beyni, muhtemelen tüm canlılar dünyasındaki en karmaşık organdır ve uzun zamandır araştırmacılar için bir hayranlık nesnesi olmuştur. Bununla birlikte, beyni ve özellikle gelişimini düzenleyen ve yönlendiren genleri ve moleküler anahtarları incelemek kolay bir iş değildir.

Bugüne kadar bilim adamları, başta fareler olmak üzere hayvan modellerini kullanmaya devam ettiler, ancak bulguları doğrudan insanlara aktarılamaz. Bir farenin beyni, farklı bir şekilde yapılandırılmıştır ve insan beynine özgü oluklu yüzeyden yoksundur. Hücreler, bir kültür tabağı üzerinde büyütüldüklerinde geniş bir alana yayılma eğiliminde olduklarından, hücre kültürleri şimdiye kadar bu alanda sınırlı bir değere sahip olmuştur; bu, beynin doğal üç boyutlu yapısına tekabül etmez.

Moleküler parmak izlerini haritalama

Basel’deki Biyosistem Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde ETH Profesörü olan Barbara Treutlein liderliğindeki bir grup araştırmacı, insan beyninin gelişimini incelemek için yeni bir yaklaşım benimsedi: büyüyorlar ve organoidler kullanıyorlar – milimetre boyutunda üç boyutlu pluripotent kök hücreler olarak bilinenlerden büyütülebilen dokular.

Bu kök hücreler doğru uyarıyı aldıkları takdirde, araştırmacılar onları nöronlar da dahil olmak üzere vücutta bulunan her tür hücreye dönüşecek şekilde programlayabilirler. Kök hücreler küçük bir doku topunda toplandıklarında ve daha sonra uygun uyarana maruz kaldıklarında, kendi kendilerini organize edebilirler ve karmaşık bir doku mimarisine sahip üç boyutlu bir beyin organoidi oluşturabilirler.

Yakın zamanda yayınlanan yeni bir çalışmada DoğaTreutlein ve meslektaşları şimdi bir beyin organoidi içindeki binlerce ayrı hücreyi zamanın çeşitli noktalarında ve çok ayrıntılı olarak incelediler.

Amaçları, hücreleri moleküler-genetik terimlerle karakterize etmekti: başka bir deyişle, gen ekspresyonunun bir ölçüsü olarak tüm gen transkriptlerinin (transkriptom) toplamı, aynı zamanda düzenleyici aktivitenin bir ölçüsü olarak genomun erişilebilirliği. Bu verileri, organoid içindeki her hücrenin moleküler parmak izini gösteren bir tür harita olarak sunmayı başardılar.

Bununla birlikte, bu prosedür muazzam veri setleri üretir: organoiddeki her hücrede 20.000 gen bulunur ve her organoid sırayla binlerce hücreden oluşur.

Treutlein’ın grubundaki doktora öğrencisi ve çalışmanın yardımcı yazarlarından biri olan Jonas Fleck, “Bu devasa bir matrisle sonuçlanır ve bunu çözebilmemizin tek yolu uygun programlar ve makine öğrenimi kullanmaktır” diye açıklıyor. Tüm bu verileri analiz etmek ve gen düzenleme mekanizmalarını tahmin etmek için araştırmacılar kendi programlarını geliştirdiler.

Fleck, “Bunu her bir gen için tam bir etkileşim ağı oluşturmak ve bu gen başarısız olduğunda gerçek hücrelerde ne olacağını tahmin etmek için kullanabiliriz” diyor.

Genetik anahtarları tanımlama

Bu çalışmanın amacı, beyin organoidlerinin farklı bölgelerindeki nöronların gelişimi üzerinde önemli bir etkiye sahip olan genetik anahtarları sistematik olarak tanımlamaktı.

ETH araştırmacıları, bir CRISPR-Cas9 sisteminin yardımıyla, tüm organoidde aynı anda iki düzine gen olmak üzere her hücrede bir geni seçici olarak devre dışı bıraktı. Bu, ilgili genlerin beyin organoidinin gelişiminde hangi rolü oynadığını bulmalarını sağladı.

“Bu teknik, hastalıkla ilgili genleri taramak için kullanılabilir. Ayrıca, bu genlerin organoid içindeki farklı hücrelerin nasıl geliştiği üzerindeki etkisine bakabiliriz” diye açıklıyor Treutlein’ın grubunda doktora öğrencisi ve çalışmanın ikinci yardımcı yazarı Sophie Jansen.

Ön beyindeki desen oluşumunu kontrol etme

Araştırmacılar teorilerini test etmek için örnek olarak GLI3 genini seçtiler. Bu gen, başka bir geni düzenlemek için DNA’nın belirli bölgelerine bağlanan bir protein olan aynı adı taşıyan transkripsiyon faktörünün planıdır. GLI3 kapatıldığında, hücresel mekanizmanın bu geni okuması ve onu bir RNA molekülüne kopyalaması engellenir.

Farelerde, GLI3 genindeki mutasyonlar, merkezi sinir sisteminde malformasyonlara yol açabilir. İnsan nöron gelişimindeki rolü daha önce keşfedilmemişti, ancak gendeki mutasyonların Greig sefalopolisindaktili ve Pallister Hall Sendromları gibi hastalıklara yol açtığı biliniyor.

Bu GLI3 genini susturmak, araştırmacıların hem teorik tahminlerini doğrulamasını hem de bu genin kaybının beyin organoidinin daha fazla gelişimini nasıl etkilediğini hücre kültüründe doğrudan belirlemesini sağladı.

GLI3 geninin insanlarda ön beyin kalıplarının oluşumunda rol oynadığını ilk kez gösterdik. Bu daha önce sadece farelerde gösterilmişti, ”diyor Treutlein.

Model sistemler gelişim biyolojisini yansıtır

“Bu araştırmayla ilgili heyecan verici şey, tek tek genlerin oynadığı rolleri varsaymak için çok sayıda bireysel hücreden genom çapında verileri kullanmanıza izin vermesidir” diye açıklıyor. “Bence eşit derecede heyecan verici olan şey, bir Petri kabında yapılan bu model sistemlerin, farelerden bildiğimiz şekliyle gelişim biyolojisini gerçekten yansıtıyor olması.”

Bu beyin organoidlerini gösterir
Floresan mikroskobu altında insan kök hücrelerinden alınan beyin organoidi: GLI3 proteini morla boyanmıştır ve organoidin ön beyin bölgelerindeki nöronal öncü hücreleri işaretler. Nöronlar yeşile boyanmıştır. Kredi: F. Sanchís Calleja, A. Jain, P. Wahle / ETH Zürih

Treutlein ayrıca, kültür ortamının insan beynininkilerle karşılaştırılabilir yapılara sahip kendi kendini organize eden dokulara nasıl yol açabileceğini büyüleyici buluyor – sadece morfolojik düzeyde değil, aynı zamanda (araştırmacıların en son çalışmalarında gösterdiği gibi) düzeyde de. gen regülasyonu ve örüntü oluşumu.

“Bunun gibi organoidler, insan gelişim biyolojisini incelemek için gerçekten mükemmel bir yol” diye belirtiyor.

Çok yönlü beyin organoidleri

İnsan hücre materyalinden oluşan organoidler üzerinde yapılan araştırmalar, bulguların insanlara aktarılabilmesi avantajına sahiptir. Yalnızca temel gelişim biyolojisini değil, aynı zamanda hastalıklarda veya gelişimsel beyin bozukluklarında genlerin rolünü incelemek için kullanılabilirler.

Örneğin, Treutlein ve meslektaşları, otizmin ve heterotopinin genetik nedenini araştırmak için bu tip organoidlerle çalışıyor; ikincisinde, nöronlar serebral korteksteki olağan anatomik konumlarının dışında görünürler.

Organoidler ayrıca ilaçları test etmek ve muhtemelen nakledilebilir organların veya organ parçalarının kültürlenmesi için de kullanılabilir. Treutlein, ilaç endüstrisinin bu hücre kültürleriyle çok ilgilendiğini onaylıyor.

Ayrıca bakınız

Bu, altında bir el olan bir beyin çizimini gösterir.

Bununla birlikte, büyüyen organoidler hem zaman hem de çaba gerektirir. Ayrıca, her hücre kümesi, standart bir şekilde değil, bireysel olarak gelişir. Bu nedenle Treutlein ve ekibi, organoidleri geliştirmek ve üretim süreçlerini otomatikleştirmek için çalışıyor.

Bu beyin haritalama araştırması haberleri hakkında

Soyut

İnsan beyni organoidlerinde çıkarım yapan ve rahatsız eden hücre kaderi regülasyonları

Tek hücreli genomik teknolojilerle birleştirilmiş pluripotent kök hücrelerden yetiştirilen kendi kendini organize eden nöral organoidler, insan beyni gelişiminin altında yatan gen düzenleyici ağları incelemek için fırsatlar sağlar.

Burada, nöroepitelyal oluşum, desenleme, beyin bölgeselleşmesi ve nörojenezi kapsayan insan organoidlerinde yoğun bir zaman süreci boyunca tek hücreli transkriptom ve erişilebilir kromatin verileri elde ediyoruz ve geçici olarak dinamik ve beyin bölgesine özgü düzenleyici bölgeleri tanımlıyoruz.

Pando’yu geliştirdik—organoid gelişimini açıklayan küresel bir gen düzenleyici ağını çıkarmak için multi-omik verileri ve transkripsiyon faktörü bağlama bölgelerinin tahminlerini içeren esnek bir çerçeve. Organoidlerde hücre kaderi ve durum regülasyonu için transkripsiyon faktörü gereksinimini değerlendirmek için tek hücreli transkriptom okuması ile havuzlanmış genetik bozulma kullanıyoruz.

Bazı faktörlerin hücre kaderinin bolluğunu düzenlediğini, diğer faktörlerin ise farklılaşmadan sonra nöronal hücre durumlarını etkilediğini bulduk. Memeli model sistemlerinde gerçekleştirilen önceki araştırmaları özetleyerek, insanlarda kortikal kader oluşumu için transkripsiyon faktörü GLI3’ün gerekli olduğunu gösteriyoruz.

Normal veya GLI3 ile bozulan hücrelerde transkriptom ve kromatin erişilebilirliğini ölçüyoruz ve telensefalik kader kararlarının merkezinde yer alan iki farklı GLI3 regülomunu tanımlıyoruz: biri doğrudan GLI3 hedefleri olarak HES4/5 ile dorsoventral paternlemeyi düzenler ve biri daha sonra geliştirme aşamasında ganglionik üstünlük çeşitliliğini kontrol eder.

Birlikte, insan gelişim biyolojisini yeniden yapılandırmak için insan modeli sistemlerinin ve tek hücreli teknolojilerin nasıl kullanılabileceğine dair bir çerçeve sağlıyoruz.

Kaynak ve İleri Okuma: https://neurosciencenews.com/brain-development-mapping-21592/

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu