Органоиды мозга шимпанзе проливают свет на эволюцию человека

В ходе эволюции человека несколько генетических изменений вызвали трёхкратное расширение неокортекса — внешнего слоя мозга, ответственного за язык, самосознание и абстрактное мышление. Изучение этого сдвига было затруднено из-за этических запретов на исследование развивающегося мозга нашего ближайшего родственника, шимпанзе.

Новое исследование, опубликованное 7 февраля 2019 года в журнале Cell, обошло это препятствие, создав мозговые органоиды шимпанзе — небольшие скопления клеток мозга, выращенные из стволовых клеток в лаборатории и имитирующие развитие настоящего мозга.

Учёные из группы Арнольда Кригштейна (Arnold Kriegstein) из UCSF создали 56 органоидов из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC), полученных из кожи восьми шимпанзе и десяти человек. Это первый случай массового создания и изучения органоидов мозга шимпанзе.

"Наша способность взять клетки кожи взрослого шимпанзе, превратить их в iPSC и изучать их развитие в лабораторных чашках — поразительна. Это 'научно-фантастический' эксперимент, который был невозможен 10 лет назад", — сказал Кригштейн.

"Эти органоиды шимпанзе дают нам недоступное иначе окно в шесть миллионов лет нашей эволюции", — добавил соавтор исследования Алекс Поллен (Alex Pollen).

Ключевые генетические различия

В исследовании соавтор Апарна Бхадури (Aparna Bhaduri) провела прямое сравнение типов клеток и генетических программ, управляющих ростом мозга шимпанзе и человека, на разных стадиях развития органоидов.

Сравнивая активность генов в человеческих органоидах, органоидах шимпанзе и эталонной ткани другого примата (макаки-резус), Бхадури выявила несколько сотен генетических изменений, уникальных для человеческой линии, которые могут объяснить эволюционное происхождение уникального человеческого мозга.

Было обнаружено, что у клеток-предшественников нейронов, называемых наружными радиальными глиальными клетками (oRG) — первоначально открытыми лабораторией Кригштейна — в человеческих органоидах повышена активность ключевого сигнального пути роста, известного как путь mTOR.

"Было особенно интересно обнаружить молекулярный путь в этих клетках, который, по-видимому, был специфически изменён в ходе эволюции и может помочь объяснить их специализированную роль в создании продвинутого человеческого кортекса", — сказала Бхадури.

Примечательно, что проблемы с сигнализацией mTOR также связаны с аутизмом и другими уникальными для человека нарушениями нейроразвития. Это ставит новые вопросы о том, играют ли пути, участвовавшие в относительно недавней эволюции нашего необычно большого мозга, особую роль в этих расстройствах.