دانشمندان چگونگی تشکیل و ساختارپذیری مغز را کشف کردند!

کدام ژن‌ها سلول‌های بنیادی جنینی را هنگام تبدیل شدن به سلول‌های مغزی هدایت می‌کنند و اگر این فرآیند مختل شود چه اتفاقی می‌افتد؟ یک مطالعه جدید که روز گذشته (۵ ژانویه) در مجله Nature Neuroscience منتشر شده است، گام بزرگی در جهت پاسخ به این سؤالات برداشته است.

ترسیم ژن‌هایی که مغز را می‌سازند!

هدف این مطالعه ساده اما جاه‌طلبانه بود: تعیین اینکه کدام ژن‌ها برای رشد صحیح سلول‌های مغزی لازم هستند.

برای انجام این کار، محققان از ابزارهای ویرایش ژن CRISPR استفاده کردند تا به‌طور سیستماتیک تقریباً ۲۰,۰۰۰ ژن مجزا را خاموش کنند. این آزمایش‌ها در سلول‌های بنیادی جنینی هنگام تبدیل شدن به سلول‌های مغزی انجام شد. با غیرفعال کردن ژن‌ها یک به یک، دانشمندان توانستند مشاهده کنند که کدام ژن‌ها برای موفقیت سلول‌ها در تبدیل شدن به نورون حیاتی بودند.

این رویکرد به تیم اجازه داد تا مراحل اصلی تمایز عصبی را ترسیم کرده و ۳۳۱ ژن را که برای تشکیل نورون مورد نیاز هستند، شناسایی کنند. بسیاری از این ژن‌ها قبلاً هرگز با توسعه اولیه مغز مرتبط نبوده‌اند. این یافته‌ها به روشن شدن ریشه‌های ژنتیکی اختلالات عصبی-تکاملی، از جمله تغییرات در اندازه مغز، اوتیسم، و تأخیر رشد، کمک می‌کند.

یک علت ژنتیکی جدید برای یک اختلال رشد مغزی

یکی از مهم‌ترین اکتشافات این مطالعه، شناسایی ژنی به نام PEDS1 به عنوان عامل یک اختلال عصبی-تکاملی بود که قبلاً ناشناخته بود.

PEDS1 برای تولید پلاسمالوژن‌ها ضروری است؛ نوعی تخصصی از فسفولیپیدهای غشایی که به ویژه در میلین (لایه چربی عایق‌بندی کننده فیبرهای عصبی) فراوان است. غربالگری CRISPR نشان داد که PEDS1 همچنین نقشی کلیدی در تشکیل سلول‌های عصبی دارد و از دست دادن این ژن منجر به کوچک‌تر شدن مغز می‌شود. بر اساس این یافته‌ها، محققان گمان کردند که نقص‌های PEDS1 ممکن است در رشد مغز انسان نیز اختلال ایجاد کند.

این گمان از طریق آزمایش ژنتیکی دو خانواده غیرمرتبط تأیید شد. در هر دو مورد، کودکانی با علائم شدید رشد، دارای جهش نادر در PEDS1 بودند. کودکان آسیب‌دیده، تأخیر در رشد همراه با کاهش اندازه مغز را نشان دادند.

تأیید نقش PEDS1 در تشکیل مغز

برای آزمایش مستقیم اینکه آیا از دست دادن PEDS1 باعث این اثرات می‌شود، محققان ژن را در مدل‌های آزمایشی غیرفعال کردند. نتایج تأیید کرد که PEDS1 برای رشد طبیعی مغز ضروری است. بدون آن، سلول‌های عصبی به درستی تشکیل و مهاجرت نمی‌کنند، که به توضیح علائم مشاهده شده در کودکان دارای جهش کمک می‌کند.

پروفسور ساگیو شیفمن توضیح می‌دهد:

با پیگیری تمایز سلول‌های بنیادی جنینی به سلول‌های عصبی و مختل کردن سیستماتیک تقریباً تمام ژنوم، ما نقشه‌ای از ژن‌های ضروری برای رشد مغز ایجاد کردیم. این نقشه می‌تواند به ما کمک کند تا بهتر بفهمیم مغز چگونه رشد می‌کند و ژن‌های مرتبط با اختلالات عصبی-تکاملی را که هنوز کشف نشده‌اند، شناسایی کنیم. شناسایی PEDS1 به عنوان یک علت ژنتیکی اختلال رشد در کودکان و روشن شدن عملکرد آن، دریچه را برای تشخیص بهبود یافته و مشاوره‌های ژنتیکی بهتر برای خانواده‌ها باز می‌کند و ممکن است در نهایت از توسعه درمان‌های هدفمند حمایت کند.

چگونگی شکل‌دهی مسیرهای ژنی به الگوهای وراثت

این مطالعه همچنین الگوهای گسترده‌تری را کشف کرد که ممکن است به توضیح چگونگی وراثت اختلالات مختلف مغزی کمک کند. ژن‌هایی که در کنترل سایر ژن‌ها نقش دارند، مانند آنهایی که رونویسی و کروماتین را تنظیم می‌کنند، اغلب با اختلالات غالب (Dominant) مرتبط هستند. در این موارد، جهش در تنها یک نسخه از ژن می‌تواند برای ایجاد بیماری کافی باشد.

در مقابل، اختلالات مرتبط با ژن‌های متابولیک، از جمله PEDS1، معمولاً مغلوب (Recessive) هستند. این بدان معناست که هر دو نسخه از ژن باید تغییر کرده باشند، که معمولاً هر یک از والدین حامل یک نسخه جهش‌یافته هستند. درک این ارتباط بین عملکرد بیولوژیکی و وراثت ممکن است به محققان و پزشکان کمک کند تا ژن‌های بیماری‌زای بالقوه را بهتر شناسایی کرده و اولویت‌بندی کنند.

بینش‌هایی در مورد اوتیسم و تأخیر رشد

محققان همچنین یک “نقشه ضرورت” ایجاد کردند که نشان می‌دهد ژن‌های خاص در چه زمانی از رشد مورد نیاز هستند. این نقشه به روشن شدن تفاوت‌های بین اوتیسم و تأخیر رشد در سطح بیولوژیکی کمک کرد.

ژن‌هایی که در بسیاری از مراحل رشد ضروری هستند، ارتباط قوی‌تری با تأخیر رشد داشتند. در همین حال، ژن‌هایی که به ویژه در طول تشکیل سلول‌های عصبی مهم بودند، ارتباط نزدیک‌تری با اوتیسم داشتند. این یافته‌ها توضیح می‌دهند که چرا اختلالات ژنتیکی مختلف می‌توانند علائم همپوشانی ایجاد کنند و این ایده را تقویت می‌کنند که تغییرات در طول رشد اولیه مغز در اوتیسم نقش دارند.

داده‌های باز برای پشتیبانی از تحقیقات آینده

برای در دسترس قرار دادن گسترده یافته‌ها، این تیم یک پایگاه داده آنلاین باز حاوی نتایج مطالعه را راه‌اندازی کرد که به محققان در سراسر جهان اجازه می‌دهد داده‌ها را بررسی کنند.

پروفسور شیفمن اضافه کرد:

این ایده عالی از دانشجوی دکتری آلانا آملان بود که بخش بزرگی از مطالعه را انجام داد و وب‌سایت را نیز ایجاد کرد. ما می‌خواستیم یافته‌هایمان در خدمت کل جامعه علمی باشد، از کارهای جاری در مورد ژن‌هایی که شناسایی کردیم حمایت کند و به محققان کمک کند تا ژن‌های اضافی دخیل در اختلالات عصبی-تکاملی را شناسایی کنند.

نقشه‌ای راهنما برای تحقیقات توسعه مغز

در مجموع، این مطالعه یکی از جامع‌ترین نقشه‌های ژنتیکی توسعه اولیه سیستم عصبی تا به امروز را ارائه می‌دهد. همچنین پایه مولکولی یک اختلال جدید شناسایی شده را که رشد مغز را مختل می‌کند، برجسته می‌سازد.

این اکتشافات ممکن است تشخیص ژنتیکی را برای خانواده‌های آسیب‌دیده از اختلالات عصبی-تکاملی بهبود بخشد و به پایه‌ریزی تحقیقات آینده در مورد استراتژی‌های پیشگیری و درمان کمک کند.

منبع: Scitechdaily