Foto: Dr. Galya Monderer-Rothkoff

Úvod do genetického výzkumu mozkových buněk

Autor původního článku: redakce

Velký genetický screening odhalil, jak se kmenové buňky transformují na mozkové buňky, a odhalil stovky genů, které tento proces umožňují. Mezi objevy je i gen PEDS1, který je nyní spojen s dosud neznámou neurovývojovou poruchou u dětí. Když PEDS1 nefunguje správně, růst mozku a tvorba nervových buněk jsou narušeny. Tato zjištění pomáhají vysvětlit, jak mohou rané genetické změny ovlivnit vývoj mozku a onemocnění.

Metodologie a hlavní objevy

Neuronové buňky pěstované z kmenových buněk v laboratoři tvoří propojenou síť. V této studii vědci použili CRISPR k vypnutí genů v kmenových buňkách a sledovali, jak úspěšně se buňky vyvíjejí v neurony. Výzkum vedl Prof. Sagiv Shifman z The Institute of Life Sciences na Hebrejské univerzitě v Jeruzalémě ve spolupráci s Prof. Binnaz Yalcin z INSERM, Francie. Tým použil CRISPR knockout screeny na celogenomové úrovni k identifikaci genů, které jsou nezbytné během nejranějších fází vývoje mozku.

Vědci začali s jasným cílem: určit, které geny jsou nezbytné pro správnou tvorbu mozkových buněk. Pomocí technologie CRISPR pro úpravu genů jednotlivě deaktivovali téměř 20 000 genů a pozorovali, co se stalo, když se embryonální kmenové buňky pokoušely stát mozkovými buňkami. Experimenty byly prováděny jak v kmenových buňkách, tak během jejich transformace na nervové buňky. Vypnutím genů jeden po druhém mohli vědci určit, které z nich jsou nezbytné pro normální průběh procesu.

Identifikace genů a jejich role

Tento systematický přístup umožnil týmu nastínit hlavní kroky nervové diferenciace. Celkem identifikovali 331 genů, které jsou klíčové pro produkci neuronů. Mnoho z těchto genů nebylo dříve spojováno s raným vývojem mozku. Výsledky poskytují nový pohled na genetické faktory, které mohou přispívat k neurovývojovým podmínkám, včetně změn velikosti mozku, autismu a vývojového zpoždění.

Mezi nejvýznamnějšími nálezy bylo zjištění, že gen zvaný PEDS1 je zodpovědný za dosud neznámou neurovývojovou poruchu. PEDS1 je potřebný k produkci plasmalogenů, specifického typu membránového fosfolipidu, který je obzvláště hojný v myelinu, tukovém obalu, který izoluje nervová vlákna. CRISPR screening odhalil, že PEDS1 také hraje klíčovou roli při tvorbě nervových buněk a že ztráta tohoto genu vede ke snížení velikosti mozku.

Genetické testování a klinické důsledky

Na základě těchto pozorování vědci navrhli, že nedostatek PEDS1 by mohl narušovat vývoj mozku u lidí. Tato myšlenka byla podpořena genetickým testováním ve dvou nesouvisejících rodinách. V obou případech byly u dětí s těžkými vývojovými příznaky nalezeny vzácné mutace v PEDS1. Postižené děti vykazovaly vývojové zpoždění spolu s menším mozkem.

Pro potvrzení, zda ztráta PEDS1 přímo způsobuje tyto účinky, se vědci obrátili na experimentální modely a deaktivovali gen. Tyto testy potvrdily, že PEDS1 je nezbytný pro normální vývoj mozku. Bez něj se nervové buňky netvoří ani nemigrují správně. Tato zjištění pomáhají vysvětlit klinické příznaky pozorované u dětí nesoucích mutaci.

Budoucí výzkum a otevřená data

Prof. Sagiv Shifman z Fakulty matematiky a přírodních věd na Hebrejské univerzitě vysvětluje: „Sledováním diferenciace embryonálních kmenových buněk na nervové buňky a systematickým narušením téměř všech genů v genomu jsme vytvořili mapu genů nezbytných pro vývoj mozku. Tato mapa nám může pomoci lépe pochopit, jak se mozek vyvíjí, a identifikovat geny spojené s neurovývojovými poruchami, které dosud nebyly objeveny. Identifikace PEDS1 jako genetické příčiny vývojového postižení u dětí a objasnění jeho funkce otevírá dveře k lepší diagnostice a genetickému poradenství pro rodiny a může nakonec podpořit vývoj cílených léčeb.“

Výzkum byl podpořen Izraelskou vědeckou nadací (ISF), programem ISF-Broad Institute a programem MAVRI Biomedical Research. Pro podporu budoucích objevů tým spustil otevřenou online databázi, která obsahuje výsledky studie, což umožňuje vědcům po celém světě prozkoumat data: https://aa-shifman.shinyapps.io/Neuro_Diff_Screen/.