خلاصه: ارگانوئیدهای مغز به محققان کمک می کنند تا تغییرات مولکولی، ژنتیکی و ساختاری را که در طول رشد مغز رخ می دهد، ترسیم کنند.
منبع: ETH Zurich
مغز انسان احتمالاً پیچیده ترین اندام در کل دنیای زنده است و مدت هاست که مورد توجه محققان است. با این حال، مطالعه مغز، به ویژه ژن ها و سوئیچ های مولکولی که رشد آن را تنظیم و هدایت می کنند، کار آسانی نیست.
تا به امروز، دانشمندان با استفاده از مدلهای حیوانی، عمدتاً موش، اقدام کردهاند، اما یافتههای آنها را نمیتوان مستقیماً به انسان ربط داد. ساختار مغز موش متفاوت است و فاقد سطح شیاردار مغز در انسان است. کشت سلولی تاکنون در این زمینه از ارزش محدودی برخوردار بوده، زیرا سلولها هنگام رشد در ظرف کشت تمایل دارند در سطح وسیعی پخش شوند. این با ساختار سه بعدی طبیعی مغز مطابقت ندارد.
نقشه برداری از اثر انگشت مولکولی
گروهی از محققان به سرپرستی باربارا تروتلین، پروفسور ETH در دپارتمان علوم و مهندسی در بازل، اکنون رویکرد جدیدی را برای مطالعه رشد مغز انسان اتخاذ کردهاند: آنها در حال رشد و استفاده از ارگانوئیدها هستند – بافت هایی که می توانند از سلول های بنیادی پرتوان رشد کنند.
به شرطی که این سلول های بنیادی محرک مناسب را دریافت کنند، محققان می توانند آنها را طوری برنامه ریزی کنند که به هر نوع سلول موجود در بدن از جمله نورون ها تبدیل شوند. هنگامی که سلول های بنیادی در یک توپ کوچک از بافت جمع می شوند و سپس در معرض محرک مناسب قرار می گیرند، حتی می توانند خود را سازمان دهند و یک ارگانوئید مغزی سه بعدی با معماری از بافت پیچیده را تشکیل دهند.
در مطالعه جدیدی که به تازگی در Nature منتشر شده است، تروتلین و همکارانش اکنون هزاران سلول منفرد درون یک ارگانوئید مغز را در مقاطع زمانی مختلف و با جزئیات بسیار مورد مطالعه قرار دادهاند.
هدف آنها مشخص کردن سلولها در شرایط مولکولی-ژنتیکی بود: به عبارت دیگر، مجموع تمام رونوشتهای ژن (ترانسکریپتوم) به عنوان معیار بیان ژن، و همچنین دسترسی به ژنوم به عنوان معیار فعالیت تنظیمی، آنها موفق شده اند این داده ها را به عنوان یک نوع نقشه نشان دهند که اثر انگشت مولکولی هر سلول درون ارگانوئید را نشان می دهد.
با این حال، این روش مجموعه داده های عظیمی را تولید می کند: هر سلول در ارگانوئید دارای 20000 ژن است و هر ارگانوئید به نوبه خود از هزاران سلول تشکیل شده است.
جوناس فلک، در گروه تروتلین و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، توضیح میدهد: «این منجر به یک ماتریس غولپیکر میشود و تنها راهی که میتوانیم آن را حل کنیم، کمک برنامههای مناسب و ماشینی است». برای تجزیه و تحلیل همه این داده ها و پیش بینی مکانیسم های تنظیم ژن، محققان برنامه خود را توسعه دادند.
فلک میگوید: «ما میتوانیم از آن برای ایجاد یک شبکه تعاملی کامل برای هر ژن استفاده کنیم و پیشبینی کنیم که در صورت از کار افتادن آن ژن در سلولهای واقعی چه اتفاقی میافتد».
شناسایی سوئیچ های ژنتیکی
هدف از این مطالعه شناسایی سیستماتیک آن دسته از سوئیچ های ژنتیکی بود که تأثیر قابل توجهی بر رشد نورون ها در مناطق مختلف ارگانوئیدهای مغز دارند.
با کمک یک سیستم CRISPR-Cas9، محققان ETH به طور انتخابی یک ژن را در هر سلول خاموش کردند، در مجموع حدود دوجین ژن را به طور همزمان در کل ارگانوئید خاموش کردند. این مسئله به آنها امکان داد تا دریابند که ژن های مربوطه چه نقشی در رشد ارگانوئید مغز ایفا می کنند.
از این تکنیک می توان برای غربالگری ژن های دخیل در بیماری استفاده کرد. علاوه بر این، ما میتوانیم به تأثیر این ژنها بر چگونگی رشد سلولهای مختلف درون ارگانوئید نگاه کنیم.
بررسی تشکیل الگو در جلو مغز
محققان برای آزمایش نظریه خود، ژن GLI3 را به عنوان نمونه انتخاب کردند. این ژن طرحی برای فاکتور رونویسی به همین نام است، پروتئینی که برای تنظیم ژن دیگری به مکان های خاصی روی DNA متصل می شود. هنگامی که GLI3 خاموش می شود، دستگاه سلولی از خواندن این ژن و رونویسی آن به یک مولکول RNA جلوگیری می کند.
در موش ها، جهش در ژن GLI3 می تواند منجر به ناهنجاری در سیستم عصبی مرکزی شود. نقش آن در رشد عصبی انسان قبلاً ناشناخته بود، اما مشخص شده است که جهش در ژن منجر به بیماری هایی مانند سفالوپلی سینداکتیلی گریگ و سندرم پالیستر هال می شود.
خاموش کردن این ژن GLI3 به محققان این امکان را داد تا هم پیشبینیهای نظری خود را تأیید کنند و هم مستقیماً در کشت سلولی تعیین کنند که چگونه از دست دادن این ژن بر رشد بیشتر ارگانوئید مغز تأثیر میگذارد.