Клетки развивающегося мозга подвергаются случайным генетическим модификациям

Нервная система млекопитающих и особенно человека чрезвычайно сложна: по приблизительным оценкам, она содержит 10¹⁵ синапсов (межнейронных контактов, через которые нервные клетки передают друг другу сигналы). Подавляющее большинство нейронов и синапсов сконцентрировано в головном мозге. На развитие мозга (а значит и личности) влияют две группы факторов: генетические (унаследованные от родителей гены) и «внешние», то есть условия, в которых происходит развитие, в том числе контакты с другими людьми, обучение, персональный опыт в широком смысле.

Первая группа факторов традиционно рассматривается как нечто постоянное — в том смысле, что гены, управляющие развитием мозга, не меняются в течение жизни индивидуума. Вторая группа факторов, напротив, весьма изменчива. Поэтому, например, если мы видим у двух однояйцовых близнецов — то есть у особей с заведомо идентичным геномом — разные манеры поведения, то причину мы традиционно ищем в различиях внешних условий, в которых шло их развитие, то есть в различиях их личного опыта.

Конечно, давно известно, что иногда происходят соматические мутации — случайные «ошибки» копирования ДНК, возникающие при делении клеток развивающегося организма. Результатом таких мутаций является «соматическая мозаичность» — неполная генетическая идентичность клеток многоклеточного организма. До сих пор, однако, роль соматических мутаций в развитии большей части человеческого тела — и мозга в том числе — считалась весьма незначительной. Принято думать, что по-настоящему важную роль соматические мутации играют только в иммунной системе (см.: Мутагенез в лимфоцитах — результат целенаправленного изменения ДНК и последующей «неточной починки». «Элементы», 3.09.07). Соматические мутации в остальных тканях и органах обычно рассматривались как редкое исключение, которым можно пренебречь. Иными словами, априори считалось, что все нервные клетки одного и того же человека в норме имеют абсолютно одинаковые геномы.

Статья большой группы американских молекулярных биологов, опубликованная в последнем номере журнала Nature, опровергает эти представления и заставляет по-новому взглянуть на развитие мозга и на причины удивительного разнообразия человеческих личностей, характеров и складов мышления.

Авторы статьи уже давно изучают свойства самого распространенного и активного из мобильных генетических элементов (МГЭ), имеющихся в человеческом геноме — ретротранспозона LINE-1, или L1 (long interspersed element 1). Человеческий геном содержит примерно 600 000 копий этого «эгоистичного» фрагмента ДНК, способного к самокопированию и встраиванию своих копий в различные участки хозяйского генома (подробнее о ретротранспозонах см. в заметке «Данные сравнительной геномики проливают свет на происхождение ретровирусов»; там же дана подборка ссылок на другие материалы по ретротранспозонам, опубликованные на «Элементах»).

Когда новая копия ретротранспозона встраивается в какой-либо участок генома, это может повлиять на работу близлежащих генов — например, увеличить или уменьшить их активность или вовсе вывести из строя. Поэтому «прыжки» МГЭ вносят элемент хаоса в работу генома. В ходе эволюции многоклеточные организмы выработали ряд средств для обуздания активности МГЭ (см.: У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами, «Элементы», 11.05.07; Открыт механизм геномной страховки, «Элементы», 5.02.08). Наиболее активная борьба между МГЭ и защитными системами организма разворачивается в ходе созревания половых клеток. Это и понятно: эгоистический интерес мобильного элемента состоит в том, чтобы передать свои новые копии следующему поколению организмов-хозяев. Размножаться в соматических (неполовых) клетках, геном которых не будет передан следующим поколениям и погибнет вместе с данной особью, мобильному элементу в общем-то незачем. Тем не менее, как выяснилось, это происходит, причем регулярно, в ходе развития мозга млекопитающих. Поскольку сами ретротранспозоны (если рассматривать их как эгоистичные фрагменты ДНК) не получают от этого никакой выгоды, остается предполагать, что такая активность либо является выгодной (адаптивной) для организма в целом (и в этом случае ретротранспозон предстает уже не как геномный паразит, а как полезный компонент единого генома), либо она является случайным побочным эффектом каких-то других, полезных либо для МГЭ, либо для организма свойств (адаптаций) кого-то из них двоих.

Ранее авторы обсуждаемой статьи обнаружили, что если пересадить человеческий ретротранспозон L1 в клетки определенных участков мозга мыши или крысы, то мобильный элемент начинает там активно размножаться. Это навело ученых на мысль о том, что L1 и в естественных условиях может активизироваться на определенных этапах развития мозга млекопитающих, создавая тем самым среди нейронов генетическое разнообразие.

Для проверки этого предположения исследователи применили несколько подходов. Первый эксперимент проводился на человеческих нейральных клетках-предшественницах (neural progenitor cells, NPC). Так называется разновидность стволовых клеток, из которых в дальнейшем образуются все три основных типа клеток нервной системы: нейроны, астроциты и олигодендроциты. Культуры клеток NPC, содержащиеся в лабораториях, изначально происходят от клеток, извлеченных из мозга человеческих эмбрионов.

Как мы помним, в человеческом геноме — а следовательно и в геноме каждой NPC — содержится около 600 000 копий ретротранспозона L1. Однако определить, «прыгают» они там или нет, технически очень сложно. Поэтому исследователям пришлось пойти на хитрость. Они внедрили в геном NPC искусственно синтезированные фрагменты ДНК, содержащие ретротранспозон L1, в который, в свою очередь, был вмонтирован ген зеленого флуоресцирующего белка. Этот ген был вставлен в ретротранспозон таким образом, что изначально был в нерабочем состоянии, и должен был начать работать только в том случае, если произойдет ретротранспозиция, то есть синтез новой копии L1 и встраивание ее в геном. В результате те клетки, в которых ретротранспозон успешно размножился, начинают светиться зеленым светом.

При помощи этой замысловатой конструкции ученые установили, что внедренный в человеческие NPC ретротранспозон L1 действительно способен к размножению: засветились зеленым в среднем от 8 до 12 клеток из каждых 100 000. Это не так уж мало, если вспомнить, что каждая клетка содержит около 600 000 своих собственных копий L1. Копия, помеченная зеленым светящимся белком, была, условно говоря, 600 001-ой. Если бы все копии L1 проявляли такую же активность, как и искуственно внедренная, это привело бы к десяткам ретротранспозиций на каждую клетку. Впрочем, известно, что подавляющее большинство копий L1 выведено из строя мутациями; среднестатиcтический человеческий геном содержит лишь 80—100 активных копий L1.

Индивидуальные клетки, в которых произошла ретротранспозиция, были затем подвергнуты всестороннему исследованию. Выяснилось, что они сохранили способность к делению, то есть еще не превратились в зрелые нейроны. Это значит, что от каждой из них в дальнейшем может произойти более одного нейрона. Таким образом, в мозге могут существовать группы нейронов, подвергшихся одной и той же генетической модификации, и отличающиеся генетически от других подобных групп.

Ученые повторили этот эксперимент с другими типами клеток (астроцитами и фибробластами) и установили, что в этих клетках, в отличие от NPC, никаких ретротранспозиций не происходит. Стало быть, это явление характерно именно для нейральных клеток-предшественниц.

Сравнивая активность L1 в разных культурах эмбриональных стволовых клеток и NPC, ученые пришли к выводу, что в ходе естественного развития нервной ткани существует, по-видимому, сравнительно короткий (порядка нескольких суток) этап, в течение которого ретротранспозоны L1 проявляют высокую активность. До и после этого периода деятельность L1 в клетках заблокирована.

Ранее было установлено, что клетки подавляют активность L1 путем метилирования определенного фрагмента ДНК в регуляторной области ретротранспозона. Авторы выделили копии ретротранспозона L1 из клеток мозга и кожи 80-дневных эмбрионов и обнаружили, что в клетках кожи соответствующий участок ретротранспозона сильно метилирован, а в клетках мозга — метилирован слабо или вовсе не метилирован. Все это, кажется, свидетельствует о том, что развивающийся организм вполне целенаправленно позволяет ретротранспозонам L1 проявлять активность на определенном этапе развития нервной ткани.

Описанные результаты, однако, лишь косвенно подтверждают гипотезу об активных перемещениях L1 в ходе развития человеческого мозга. Ведь регистрировались «прыжки» искусственно внедренного в клетки ретротранспозона, объединенного с геном зеленого светящегося белка. Зафиксировать перемещения реальных, «естественных» ретротранспозонов, имеющихся в геноме нейральных клеток-предшественниц, намного труднее, как уже говорилось. Однако авторы сумели найти подход к решению этой задачи. Он основан на том обстоятельстве, что каждая ретротранспозиция должна приводить к появлению дополнительной копии L1 в геноме. То есть, например, если изначально там было 600 000 копий, то после ретротранспозиции их должно стать 600 001. Как ни трудно в это поверить, сегодня уже существуют настолько высокочувствительные методы количественного анализа ДНК, что даже такое ничтожное увеличение количества копий определенного генетического фрагмента в клетке можно зарегистрировать.

Авторы взяли пробы ДНК из 10 разных отделов мозга у троих взрослых людей. Для сравнения использовались пробы из печени и сердца тех же индивидуумов. Оказалось, что число копий L1 в геномах клеток мозга у всех троих достоверно больше, чем в геномах клеток сердца и печени. Кроме того, были выявлены значимые различия по числу копий L1 как между разными индивидуумами, так и между разными отделами мозга. Больше всего копий ретротранспозона оказалось в нейронах зубчатой извилины гиппокампа (dentate gyrus) и фронтальной коры (frontal cortex).

Авторы попытались откалибровать метод количественной оценки числа копий L1, добавляя в пробы точно известное число искуственно синтезированных копий ретротранспозона. В итоге выяснилось, что в клетках гиппокампа у исследованных людей присутствует в среднем на 80 копий больше, чем в клетках печени и сердца. Цифра впечатляет: целых 80 генетических модификаций на каждый нейрон! Впрочем, эта оценка, по мнению авторов, может быть не очень точной, так как используемые методы теоретически могут иметь разную чувствительность по отношению к искусственным и естественным копиям L1.

Хотя полученные результаты выглядят весьма убедительно, авторы не утверждают, что активность L1 в клетках развивающегося мозга доказана ими окончательно и неопровержимо. По-настоящему окончательным доказательством стало бы секвенирование (определение нуклеотидной последовательности) геномов отдельных клеток мозга, сравнение их с геномами других тканей и органов и выявление конкретных случаев ретротранспозиций в нейронах. Будем надеяться, что это скоро сделают. А пока каждый может поразмышлять в свое удовольствие, что же это значит на самом деле, зачем это нужно и как такое могло получиться, что наш мозг сплошь состоит из клеток-мутантов.

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