ارگانوئیدهای مغز نئاندرتال نشان می دهد که چگونه یک تغییر ژن ممکن است انسانهای مدرن را از گذشته جدا کند.

ارگانوئیدهای مغز با اندازه نئاندرتال (سمت چپ) بسیار به نظر می رسند متفاوت از ارگانوئیدهای مغزی انسان مدرن (سمت راست) – شکل کاملاً متفاوتی دارند و از نظر تکثیر سلول ها و شکل گیری سیناپس های آنها متفاوت است. اعتبار: علوم بهداشتی UC San Diego
در مطالعه جدید از ارگانوئیدهای مغزی استفاده شده است که از نظر ژنتیکی اصلاح شده است تا نئاندرتال های منقرض شده را تقلید کند.
به عنوان استاد اطفال و طب سلولی و مولکولی در دانشکده پزشکی دانشگاه سان دیگو ، کالیفرنیا ، آلیسون R. Muotri ، PhD ، مدتهاست که در مورد چگونگی رشد مغز و اشتباه در اختلالات عصبی مطالعه کرده است. تقریباً برای مدت طولانی ، او همچنین در مورد تکامل مغز انسان کنجکاو بوده است – چه تغییری باعث شده ما از نئاندرتال ها و دنیسوان ها ، نزدیک ترین خویشاوندان تکاملی ما ، که اکنون منقرض شده اند ، متفاوت باشیم؟
مطالعات تکاملی برای کشف چگونگی تغییر یک گونه در طول زمان ، به دو ابزار – ژنتیک و تجزیه و تحلیل فسیل – متکی است. موتری گفت ، اما هیچ یک از این دو روش نمی تواند چیزهای زیادی در مورد رشد و عملکرد مغز نشان دهد زیرا مغزها فسیل نمی شوند. هیچ پرونده فیزیکی برای مطالعه وجود ندارد.

بنابراین موتوری تصمیم گرفت سلولهای بنیادی را امتحان کند ، ابزاری که اغلب در بازسازی های تکاملی استفاده نمی شود. سلولهای بنیادی ، پیش سازهای خود تجدید کننده انواع دیگر سلول ها ، می توانند برای ساختن ارگانوئیدهای مغزی – “مینی مغزها” در یک ظرف آزمایشگاهی استفاده شوند. موتری و همکارانش پیشگام استفاده از سلولهای بنیادی برای مقایسه انسانها با سایر نخستی ها مانند شامپانزه ها و بونوبوها بوده اند ، اما تاکنون مقایسه با گونه های منقرض شده تصور نمی شد.
آلیسون آر مووتری ، PhD ، استاد دانشکده پزشکی دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو است. اعتبار: علوم بهداشتی UC San Diego
در مطالعه ای که در 11 فوریه سال 2021 در ساینس منتشر شد ، تیم موتری اختلاف بین ژنوم های مختلف جمعیت های مدرن انسانی و نئاندرتال ها و دنیسوان ها را که در دوران پلیستوسن زندگی می کردند ، تقریباً ثبت کرد. 2.6 میلیون تا 11700 سال پیش. محققان با تقلید از تغییری که در یک ژن یافتند ، از سلولهای بنیادی برای مهندسی اندامکهای مغزی “با اندازه نئاندرتال” استفاده کردند.
“دیدن اینکه یک تغییر جفت باز در انسان DNA می تواند نحوه سیمی شدن مغز را تغییر دهد. “، موتوری ، نویسنده ارشد مطالعه و مدیر برنامه سلول بنیادی UC سن دیگو و عضو کنسرسیوم پزشکی احیا سانفورد گفت. “ما دقیقاً نمی دانیم که چگونه و چه زمانی در تاریخ تکاملی ما این تغییر رخ داده است. اما به نظر می رسد قابل توجه است و می تواند به توضیح برخی از قابلیت های مدرن ما در رفتار اجتماعی ، زبان ، سازگاری ، خلاقیت و استفاده از فناوری کمک کند. ”
این تیم در ابتدا 61 ژن را پیدا کرد که بین انسان مدرن و بستگان منقرض شده ما متفاوت است. یکی از این ژن های تغییر یافته – NOVA1 – توجه موتری را به خود جلب کرد زیرا یک تنظیم کننده اصلی ژن است ، در بسیاری از ژن های دیگر در اوایل رشد مغز تأثیر می گذارد. محققان با استفاده از ویرایش ژن CRISPR سلولهای بنیادی مدرن انسانی را با جهش شبه نئاندرتال در NOVA1 مهندسی کردند. سپس آنها سلولهای بنیادی را به شکل سلولهای مغزی و در نهایت ارگانوئیدهای مغز با اندازه نئاندرتال منعکس کردند.
ارگانوئیدهای مغز خوشه های کمی از سلول های مغزی هستند که توسط سلول های بنیادی تشکیل شده اند ، اما دقیقاً مغز نیستند (برای مثال ، آنها فاقد ارتباط با سیستم های اندام دیگر مانند عروق خونی هستند). با این حال ارگانوئیدها مدل مفیدی برای مطالعه ژنتیک ، توسعه بیماری و پاسخ به عفونت ها و داروهای درمانی هستند. تیم موتری حتی برای دستیابی به سازمان یافته ، فرایند ساخت ارگانوئید مغز را بهینه کرده است امواج نوسانی الکتریکی شبیه به موج های تولید شده توسط مغز انسان است.
ارگانوئیدهای مغز اندازه نئاندرتال بسیار متفاوت از ارگانوئیدهای مغزی انسان مدرن ، حتی با چشم غیر مسلح به نظر می رسید. آنها شکل کاملاً متفاوتی داشتند. با بررسی دقیق تر ، این گروه دریافتند که ارگانوئیدهای مغزی مدرن و دارای اندازه نئاندرتال از نظر تکثیر سلول ها و شکل گیری سیناپس های آنها – اتصالات بین سلول های عصبی – نیز متفاوت هستند. حتی پروتئین های درگیر در سیناپس ها نیز متفاوت بودند. و تکانه های الکتریکی در مراحل اولیه فعالیت بالاتری را نشان می دهند ، اما در شبکه های ارگانوئیدهای مغز با اندازه نئاندرتال هماهنگ نمی شوند.
به گفته موتری ، تغییرات شبکه عصبی در ارگانوئیدهای مغز دارای اندازه نئاندرتال به موازات دستیابی اعضای پستانداران غیر انسانی تازه متولد شده با سرعت بیشتری نسبت به نوزادان انسانی است.
“این مطالعه فقط بر روی یک ژن متمرکز بود که بین انسان مدرن و بستگان منقرض شده ما متفاوت است. بعد می خواهیم به 60 ژن دیگر نگاهی بیندازیم ، و اینکه چه اتفاقی می افتد که هر یک یا ترکیبی از دو یا چند مورد تغییر کنند. “موتری گفت.
“ما منتظر این ترکیب جدید زیست شناسی سلول های بنیادی ، علوم اعصاب و دیرینه شناسی هستیم. توانایی استفاده از رویکرد مقایسه ای انسان مدرن نسبت به سایر هومینین های منقرض شده ، مانند نئاندرتال ها و دنیسوان ها ، استفاده از ارگانوئیدهای مغزی که حامل انواع ژنتیکی اجدادی هستند ، یک زمینه کاملاً جدید برای مطالعه است. ”
برای ادامه این کار ، موتوری با همکاری کاترینا سمندفری ، استاد انسان شناسی در UC سن دیگو و یکی از نویسندگان تحصیل ، برای کارگردانی مرکز بایگانی جدید UC سن دیگو یا ArchC همکاری کرده است.
“سمنددفری” گفت: “ما این کار شگفت انگیز سلول های بنیادی را با مقایسه های آناتومیک از چندین گونه و شرایط عصبی ادغام و ادغام خواهیم کرد تا فرضیه های پایین دستی در مورد عملکرد مغز بستگان منقرض شده خود را ایجاد کنیم.” “این رویکرد عصب کشی عصبی مکمل تلاش برای درک ذهن اجداد و نزدیکان نزدیک ما ، مانند نئاندرتال ها است.”
مرجع: “معرفی مجدد نوع باستانی NOVA1 در ارگانوئیدهای قشر مغز ، رشد عصبی را تغییر می دهد” توسط Cleber A. Trujillo ، Edward S. Rice ، Nathan K. Schaefer ، Isaac A. Chaim ، Emily C. ویلر ، Assael A. Madrigal ، Justin Buchanan ، Sebastian Preissl ، Allen Wang ، Priscilla D. Negraes ، Ryan A. Szeto ، Roberto H. Herai ، Alik Huseynov ، Mariana SA Ferraz ، Fernando S. Borges ، Alexandre H. Kihara ، Ashley Byrne ، ماکسیمیلیان مارین ، کریستوفر وولمرز ، آنجلا ن. بروکس ، جاناتان دی لاوتز ، کاترینا سمندفری ، بت شاپیرو ، ژن دبلیو یو ، استفان ای پی اسمیت ، ریچارد ای گرین و آلیسون آر مووتری ، 12 فوریه 2021 ، علوم . DOI: 10.1126 / science.aax2537
نویسندگان مشترک این تحقیق عبارتند از: Cleber A. Trujillo ، Isaac A. Chaim ، Emily C. Wheeler ، Assael A. Madrigal ، Justin Buchanan ، Sebastian Preissl ، Allen Wang ، Priscilla D. Negraes و Ryan Szeto ، UC سن دیگو؛ ادوارد اس. رایس ، ناتان کی شفر ، اشلی بیرن ، ماکسیمیلیان مارین ، کریستوفر ولمرز ، آنجلا ن. بروکس ، ریچارد ای گرین ، سانتا کروز Roberto H. Herai ، Pontifícia Universidade Católica do Paraná ؛ آلیک حسینوف ، کالج امپریال لندن ؛ ماریانا S.A. Ferraz ، Fernando da S. Borges ، Alexandre H. Kihara ، Universidade Federal do ABC. Jonathan D. Lautz ، Stephen E.P. اسمیت ، موسسه تحقیقات کودکان سیاتل و دانشگاه واشنگتن ؛ بث شاپیرو ، م Instituteسسه پزشکی سانتا کروز و هوارد هیوز ؛ و Gene W. Yeo ، UC سان دیگو ، آژانس علوم ، فناوری و تحقیقات (سنگاپور) و دانشگاه ملی سنگاپور.
بودجه این تحقیق تا حدی از بنیاد مغز نئاندرتال ، م Instسسات ملی بهداشت (اعطا کننده U19MH1073671 ، K12GM068524 ، K01AA026911) ، بنیاد تحقیقات مغز و رفتار (کمک هزینه مستقل محقق NARSAD) ، بنیاد ملی علوم (کمک 1754451) تأمین شد. ، بنیاد گوردون و بتی مور (اعطای GBMF3804) ، Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes ، برزیل) ، FAPESP (بنیاد تحقیقات سائو پائولو ، کمک هزینه 2017 / 26439-0) ، CNPq (شورای ملی توسعه علمی و فناوری برزیل ، 431000 / 2016-6 ، 312047 / 2017-7) و بنیاد Loulou اعطا می کند.
افشاگری: آلیسون R. Muotri یکی از بنیانگذاران است و در TISMOO ، یک شرکت اختصاص داده شده به تجزیه و تحلیل ژنتیکی و مدل سازی ارگانوئیدهای مغزی ، با تمرکز بر برنامه های درمانی سفارشی برای اختلال طیف اوتیسم و ​​سایر اختلالات عصبی با منشأ ژنتیکی ، منافع مشترک دارد. . شرایط این توافق نامه مطابق با سیاست های تضاد منافع آن توسط دانشگاه کالیفرنیا سان دیگو بررسی و تأیید شده است.