Atklājumi.lv

Nejaušas ģenētiskas mutācijas augošās smadzenēs - vai dažādo personību atslēga?

Amerikāņu biologi eksperimentāli parādījuši, ka cilvēka smadzeņu attīstības procesā šūnās - neironu priekštecēs norit mobīlo ģenētisko elementu - retrotranspozonu L1 - aktivizēšanās. Retrotranspozoni savairojas un ievietojas dažādos topošo neironu genoma posmos, kas izraisa neironu īpašību izmaiņas un gala rezultātā var ietekmēt visu smadzeņu darbību. Iespējams, šis mehānisms daļēji izskaidro cilvēcisko personību unikālo un daudzveidīgo dabu.

Zīdītāju un jo īpaši cilvēku nervu sistēma ir ārkārtīgi sarežģīta: pēc aptuveniem vērtējumiem, tajā ir 10¹⁵ sinapšu (starpneironu kontaktu, ar kuriem nervu šūnas nodod cita citai signālus). Lielākā daļa neironu un to sinapšu ir koncentrētas galvas smadzenēs. Smadzeņu (tātad arī personības) attīstību ietekmē divas faktoru grupas: ģenētiskie faktori (no vecākiem mantotie gēni) un "ārējie" faktori, tas ir, apstākļi, kādos notiek attīstība, tai skaitā kontakti ar citiem cilvēkiem, apmācība, personīgā pieredze plašākajā nozīmē.

Pirmā faktoru grupa tradicionāli tiek uzskatīta par kaut ko pastāvīgu - tajā ziņā, ka gēni, kas vada smadzeņu attīstību, indivīda dzīves laikā nemainās. Otrā faktoru grupa savukārt ir ļoti mainīga. Tāpēc, piemēram, ja mēs diviem vienas olšūnas dvīņiem - tātad īpatņiem ar neapšaubāmi identisku genomu - novērojam dažādas uzvedības manieres, tad cēloni tradicionāli meklējam atšķirīgajos ārējos apstākļos, kuros notika viņu attīstība, tas ir, viņu atšķirīgajā personīgajā pieredzē.

Protams, jau sen zināms, ka dažreiz notiek somatiskas mutācijas - nejaušas DNS kopēšanas "kļūdas", kas rodas augošā organisma šūnu dalīšanās procesā. Tādu mutāciju rezultāts ir "somatiskais mozaīkums" - nepilns daudzšūnu organisma šūnu identiskums. Tomēr līdz šim somatisko mutāciju nozīmi lielas cilvēka ķermeņa daļas - tai skaitā arī smadzeņu - attīstībā uzskatīja par diezgan nenozīmīgu. Ir pieņemts uzskatīt, ka patiesi nozīmīga loma somatiskajām mutācijām ir tikai imunitātes sistēmā (skatīt: Мутагенез в лимфоцитах - результат целенаправленного изменения ДНК и последующей "неточной починки", "Элементы", 03.09.07.). Somatiskās mutācijas pārējos audos un orgānus parasti aplūkoja kā retus izņēmumus, kurus var ignorēt. Citiem vārdiem, a priori uzskatīja, ka visām viena un tā paša cilvēka nervu šūnām normā ir absolūti vienādi genomi.

Lielas amerikāņu molekulāro biologu grupas raksts, kas publicēts žurnāla Nature tīmekļa versijas š.g. 26. augusta numura rakstā, atspēko visus šos priekšrakstus un liek pavisam citādāk aplūkot smadzeņu attīstību un iemeslus, kas nosaka cilvēcisko personību, raksturu un domāšanas veidu pārsteidzošo daudzveidību.

Raksta autori jau sen pēta īpašības, kas piemīt pašam izplatītākajam un aktīvākajam no mobilajiem ģenētiskajiem elementiem (MGE), kas ir cilvēka genomā - retrotranspozonam LINE-1 (long interspersed element 1) jeb L1. Cilvēka genoms satur apmēram 600 000 šī "savtīgā" DNS fragmenta kopijas, kuras ir spējīgas pašreplicēties un ievietoties dažādos sava saimnieka genoma posmos (sīkāk par retrotranspozoniem skatīt ierakstā "Данные сравнительной геномики проливают свет на происхождение ретровирусов"; tur ir arī izlase, kas sastāv no saitēm uz citiem materiāliem, kas publicēti portālā "Элементы").

Kad kāda jauna retrotranspozona kopija ievietojas kādā genoma posmā, tas var ietekmēt tuvumā esošo gēnu darbību - piemēram, palielināt vai pazemināt to aktivitāti vai vispār apturēt to darbību. Tāpēc MGE "lēcieni" ievieš haosa elementu genoma darbībā. Evolūcijas procesā daudzšūnu organismi izstrādāja vairākus paņēmienus, kā iegrožot MGE aktivitāti (skatīt: У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, "Элементы", 11.05.07.; Открыт механизм геномной страховки, "Элементы", 05.02.08.). Visaktīvākā cīņa starp MGE un organisma aizsargmehānismiem izvēršas dzimumšūnu nobriešanas procesā. Tas ir saprotams: mobīlā elementa savtīgās intereses ir savu kopiju nodošana nākamajai saimniekorganismu paaudzei. Izplatīties somatiskajās jeb nedzimumšūnās, kuru genoms netiks nodots nākamajām paaudzēm un ies bojā kopā ar attiecīgo īpatni, mobīlajam elementam vispār nav jēgas. Un tomēr, kā noskaidrojās, zīdītāju smadzeņu attīstības procesā tas notiek, turklāt regulāri. Tā kā paši retrotranspozoni (ja tos aplūkojam kā egoistiskus DNS fragmentus) no tā neiegūst nekādu labumu, atliek pieņemt, ka šāda aktivitāte ir noderīga (adaptīva) organismam kopumā (un tādā gadījumā retrotranspozons vairs nav uzlūkojams kā genoma parazīts, bet gan kā derīgs vienota genoma elements), vai arī tā ir nejaušs blakusefekts kādām adaptīvām MGE un/vai organismam noderīgām īpašībām.

Apspriežamā raksta autori jau bija atklājuši - ja pārstāda cilvēka retrotranspozonu L1 noteiktos žurkas vai peles smadzeņu iecirkņos, tad mobīlais elements sāk tur strauji vairoties. Tas uzvedināja zinātniekus uz domu, ka L1 arī dabīgos apstākļos var aktivizēties noteiktos zīdītāju smadzeņu attīstības posmos, tādā veidā radot neironu vidū ģenētisko daudzveidību.

Šī pieņēmuma pārbaudei pētnieki izmantoja vairākas pieejas. Pirmais eksperiments tika veikts ar cilvēka neirālajām šūnām-priekštecēm (neural progenitor cells, NPC). Tā saucas cilmes šūnu paveids, kurās tālākajā attīstībā veidojas trīs galvenie nervu sistēmas šūnu tipi: neironi, astrocīti un oligodendrocīti. NPC šūnu kultūras, kas tiek izmantotas laboratorijās, sākotnēji nāk no šūnām, kas iegūtas no cilvēku embriju smadzenēm.

Kā mēs atceramies, cilvēka genomā - tātad arī katras NPC genomā - ir apmēram 600 000 retrotranspozona L1 kopiju. Taču noteikt, vai tās tur "lēkā" vai nē, tehniski ir ļoti sarežģīti. Tāpēc pētniekiem nācās izmantot viltību. Viņi NPC genomā ievietoja mākslīgi sintezētus DNS fragmentus, kas saturēja retrotranspozonu L1, kurā savukārt bija iemontēts zaļas, fluoriscējošas olbaltumvielas gēns. Šīs gēns retrotranspozonā bija ievietots neaktīvā stāvoklī un tam vajadzēja sākt darboties tikai tad, ja notiktu retrotranspozīcija, tas ir, jaunas L1 kopijas sintēze un tās ievietošana genomā. Rezultātā tās šūnas, kurās retrotranspozons bija veiksmīgi izplatījies, sāk spīdēt zaļā krāsā.

Ar šīs sarežģītās tehnoloģijas palīdzību zinātnieki noskaidroja, ka cilvēka NPC ievietotais retrotranspozons L1 tiešām ir spējīgs vairoties: zaļā krāsā iespīdējās vidēji 8 līdz 12 šūnas no katrām 100 000. Tas nav nemaz tik maz, ja atceramies, ka katra šūna satur apmēram 600 000 savas personīgās L1 kopijas. Kopija, kas bija iezīmēta ar zaļi spīdošo olbaltumvielu, nosacīti runājot, bija 600 001-ā. Ja visas L1 kopijas būtu tik aktīvas kā mākslīgi ievietotā, tas izraisītu desmitiem retrotranspozīciju katrā šūnā. Starp citu, ir zināms, ka gandrīz visas L1 kopijas ir sabojājušas mutācijas; vidēji statistiskais cilvēka genoms satur tikai 80-100 aktīvu L1 kopiju.

Individuālās šūnas, kurās notika retrotranspozīcija, pēc tam tika pakļautas vispārējai izpētei. Noskaidrojās, ka tās ir saglabājušas spēju dalīties, tas ir, vēl nav pārvērtušās par nobriedušiem neironiem. Tas nozīmē, ka katra no tām vēlāk var izveidot vairāk nekā vienu neironu. Tādā veidā smadzenēs var pastāvēt neironu grupas, kas ir pakļautas vienai un tai pašai ģenētiskajai modifikācijai un ģenētiski atšķiras no citām līdzīgām grupām.

Zinātnieki šo eksperimentu atkārtoja ar citiem cilmes šūnu tipiem (astrocītiem un fibroblastiem) un noskaidroja, ka šajās šūnās, atšķirībā no NPC, nekādas retrotranspozīcijas nenotiek. Tātad šī parādība ir raksturīga tieši neirālajām šūnām-priekštecēm.

Salīdzinot L1 aktivitāti dažādās embrionālo cilmes šūnu un NPC kultūrās, zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka nervu audu dabīgās attīstības procesā acīmredzot pastāv salīdzinoši īss (dažu dienu ilgs) posms, kurā retrotranspozoni L1 ir ļoti aktīvi. Pirms un pēc šī perioda L1 darbība šūnās ir bloķēta.

Agrāk bija noskaidrots, ka šūnas apspiež L1 aktivitāti, izmantojot noteikta DNS posma metilēšanu retrotranspozona regulatorajā daļā. Autori izdalīja retrotranspozona L1 kopijas no 80 dienu vecu embriju smadzeņu un ādas šūnām un atklāja, ka ādas šūnās atbilstošais retrotranspozona posms ir spēcīgi metilēts, bet smadzeņu šūnās - metilēts vāji vai nav metilēts vispār. Tas viss, šķiet, liecina par to, ka augošais organisms pilnīgi mērķtiecīgi ļauj retrotranspozoniem L1 kļūt aktīviem noteiktā nervu audu attīstības posmā.

Taču aprakstītie rezultāti tikai netieši apstiprina hipotēzi par aktīvu L1 pārvietošanos cilvēka smadzeņu attīstības procesā. Jo reģistrēti tika šūnās "mākslīgi" ievietota, ar zaļi spīdošās olbaltumvielas genomu apvienotā retrotranspozona lēcieni. Piefiksēt to, kā pārvietojas reālie, "dabīgie" retrotranspozoni, kas ir neirālo šūnu-priekšteču genomā, ir daudz grūtāk (kā jau bija teikts). Taču autori spēja atrast pieeju šīs problēmas risināšanai. Tā balstās apstāklī, ka katrai retrotranspozīcijai jārada papildus L1 kopija genomā. Tas ir, piemēram, ja sākumā tur bija 600 000 kopiju, tad pēc retrotranspozīcijas ir jābūt jau 600 001. Lai cik grūti nebūtu tam noticēt, šodien jau pastāv tik ļoti jūtīgas DNS kvantitatīvās analīzes metodes, ka pat tādu niecīgu noteikta ģenētiskā fragmenta kopiju skaita palielināšanos šūnā ir iespējams piereģistrēt.

Autori paņēma DNS paraugus no 10 dažādām trīs pieaugušu cilvēku smadzeņu daļām. Salīdzinājumiem tika izmantoti paraugi no to pašu indivīdu aknām un sirds. Izrādījās, ka L1 kopiju skaits smadzeņu šūnu genomā visiem trijiem ir neapšaubāmi lielāks, nekā sirds un aknu šūnu genomā. Turklāt tika noskaidrotas nozīmīgas atšķirības L1 kopiju skaitā gan starp dažādiem indivīdiem, gan arī starp dažādām smadzeņu daļām. Visvairāk retrotranspozona kopiju izrādījās zobainās hipokampa krokas (dentate gyrus) un priekšējās garozas (frontal cortex) neironos.

Autori pacentās nokalibrēt L1 kopiju skaita kvantitatīvās novērtēšanas metodi, pievienojot paraugiem precīzi zināmu mākslīgi sintezētu retrotranspozona kopiju skaitu. Rezultātā noskaidrojās, ka hipokampa šūnās pārbaudītajiem cilvēkiem ir vidēji par 80 kopijām vairāk nekā aknu un sirds šūnās. Skaitlis ir iespaidīgs: veselas 80 ģenētiskās modifikācijas katrā neironā! Tomēr šīs vērtējums, pēc autoru domām, var būt ne pārāk precīzs, jo izmantotajām metodēm teorētiski var būt dažāda jūtība pret mākslīgajām un dabīgajām L1 kopijām.

Kaut arī iegūtie rezultāti šķiet visai pārliecinoši, autori neapgalvo, ka L1 aktivitāti augošajās smadzeņu šūnās viņi ir pierādījuši galīgi un neapgāžami. Patiešām galīgs pierādījums būtu atsevišķu smadzeņu šūnu genoma sekvencēšana (nukleotīdu secības noteikšana), to salīdzināšana ar citu audu un orgānu genomiem un konkrētu retrotranspozīcijas gadījumu neironos noteikšana. Cerēsim, ka to drīz izdarīs. Bet pagaidām katrs var padomāt pats savam priekam, ko gan tas patiesībā varētu nozīmēt, kāpēc tas ir vajadzīgs un kā varēja gadīties, ka mūsu smadzenes viscaur veido šūnas-mutanti.

Avots:

Nicole G. Coufa et al. L1 retrotransposition in human neural progenitor cells // Nature. 2009. V. 460. P. 1127-1131.

Aleksandrs Markovs

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Raksts pārpublicēts no elementy.ru

Brīvpieejas materiāls. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.