Mutantsed tuhkrud paistavad valgust inimese aju arengule
Uurides inimese aju arengut mutant-tuhkrumudeli abil, sattusid teadlased kogemata vihjele meie ülisuuri aju evolutsiooni kohta.
Inimesi on õnnistatud suhteliselt suurte ajudega. Ja viimase 7 miljoni aasta jooksul - evolutsiooniliselt lühikese ajavahemiku jooksul - on meie aju suurus kolmekordistunud.
Ajukoor, keerdunud ja volditud välimine kiht, on seda eriti inimestel. Miks ja kuidas meie aju nii väljamõeldud väljamõeldiseks muutus, on paljude arutelude punkt ja tõendeid on praegu vähe.
Miljoneid aastaid tagasi aset leidnud geneetiliste ja bioloogiliste muutuste kohta vihjete leidmine sarnaneb universumi teisel poolel olevast heinakuhjast nõela otsimisega. Iga nii tihti naeratab Lady Serendipity aga teadlastele.
Hiljuti viisid teadlased paljudest asutustest, sealhulgas Howard Hughesi meditsiiniinstituut Chevy Chase'is, MD, Yale'i ülikool New Havenis, CT ja Bostoni lastehaigla Massachusettsis, läbi mitmeid uuringuid mikrotsefaalia kohta.
Nende uuringud olid viljakad ja edendasid meie arusaamist mikrotsefaaliast, kuid toovad meid ka kaugemale heinakuhja sellele nõelale lähemale. Nende leiud avaldati hiljuti ajakirjas Loodus.
"Olen koolitatud neuroloogiks ja uurin ajuliste arenguhaigustega lapsi," selgitab dr Christopher Walsh Bostoni lastehaiglast. "Ma ei arvanud kunagi, et vaatan inimkonna evolutsioonilugu."
Kuidas uurida mikrotsefaaliat
Mikrotsefaaliaga imikutel on pea tavapärasest palju väiksem pea ja nende ajukoor pole õigesti moodustatud. See seisund on sageli geneetiline, ehkki viimasel ajal on seda seostatud ka Zika viirusega.
Kuidas ja miks ajukoor korralikult ei moodusta, pole täielikult mõistetav. Üks põhjus, miks selle teema uurimine on nii keeruline, on hea mudeli puudumine; kõige sagedamini kasutatakse hiire mudelit, kuid see ei sobi eesmärgiga.
Hiire ajud on, nagu arvata võib, pisikesed. Samuti ei naudi hiired sama mitmekesist ajurakkude valikut kui inimesed ja nende ajukoor on palju siledam.
Mikrotsefaalias osaleb kõige sagedamini geen, mis kodeerib valku, mida tuntakse kui Aspm. Kui see geen on muteerunud, on inimese aju umbes pool tavalisest suurusest.
Kuid geenita hiirtel - nn Aspm knockout-hiirtel - väheneb nende aju vaid kümnendiku võrra. Sellest vaevu tuvastatavast muutusest on teadlastele vähe kasu.
Parema mikrotsefaalia mudeli otsimisel pöördusid teadlased - keda juhtisid Yale'i ülikoolist dr Walsh ja Byoung-Il Bae - tuhkrute poole.
Esialgu võib see tunduda veider loomade valik, kuid see on mõistlik; tuhkrud on suuremad ja neil on keeruline ajukoor, millel on inimestega sama rakutüüpide vahemik. Samuti nagu hiired, paljunevad nad kiiresti ja vabalt.
Nagu dr Walsh selgitab: "Tuhkrud võivad pealtnäha tunduda naljakas valik, kuid need on 30 aastat olnud aju arengu oluline mudel."
Kuigi tuhkrud on juba varem osutunud kasulikuks, on tuhkrute geneetikast vähe teada, seega oleks looma Aspm-i knockout-versiooni loomine keeruline. Doktor Walshi aga ei heidutatud; ta kindlustas rahastuse ja asus tööle.
Aspm knockout tuhkur on alles teine knockout tuhkur, mille inimkond on kunagi loonud.
Nagu arvata võis, olid Aspm-i tuhkru aju tavapärasest kuni 40 protsenti väiksemad, viies selle palju lähemale mikrotsefaalia inimversioonile. Ja nagu inimese mikrotsefaalia puhul, ei jäänud ajukoore paksus muutumatuks.
Vihje aju evolutsioonist
Lisaks uue ja kasuliku inimese mikrotsefaalia mudeli väljatöötamisele kastsid teadlased ka oma varbad palju raskemini lahendatavasse probleemi: kuidas me nii suuri ajusid aretasime?
Nad uurisid, kuidas Apsmi kadumine mõjutas tuhkrute aju samal viisil. Defektid olid seotud radiaalsete gliiarakkude käitumise muutustega.
Radiaalsed gliiarakud arenevad neuroepiteliaalsetest rakkudest, mis on närvisüsteemi tüvirakud. Need on võimelised arenema ajukoores mitmeks erinevaks rakutüübiks.
Alustades arenevate ajuvatsakeste lähedalt, liiguvad radiaalsed gliiarakud moodustava ajukoore suunas. Kui need rakud lähevad lähtekohast kaugemale, kaotavad nad aeglaselt võime areneda erinevat tüüpi ajurakkudeks.
Meeskond leidis, et Apsm-i puudumine põhjustas radiaalsete gliiarakkude hõlpsamat eemaldumist vatsakestest ja alustas nende rännet varakult.
Kui ajastus oli välja lülitatud, muutus radiaalsete gliiarakkude ja teiste rakutüüpide suhe viltu, mille tulemuseks oli ajukoores vähem närvirakke. Apsm toimib regulaatorina, valides koore neuronite koguarvu üles või alla. Ja selles peitubki vihje inimese aju evolutsioonist.
"Loodus pidi lahendama inimese aju suuruse muutmise probleemi, ilma et peaks kogu asja ümber konstrueerima."
Byoung-Il Bae
Apsm muudab aju arengut sel viisil, mõjutades tsentrioolide ehk rakkude jagunemisega seotud rakustruktuuride funktsiooni. Ilma Apsmita ei tee sentrioolid oma tööd korralikult.
Hiljuti on mõned tsentrioolvalkude reguleerimisega seotud geenid, sealhulgas Apsm, läbi teinud evolutsioonilisi muutusi. Dr Walsh usub, et just need geenid eristavad meid šimpansidest või meie kaugetest sugulastest neandertallastest.
"See on mõtet tagantjärele," ütleb dr Walsh. "Geenid, mis panevad meie aju arengu käigus kokku, pidid olema geenid, mida evolutsioon muutis meie aju suuremaks muutmiseks."
Selle ühe geeni muutmisega saab radiaalsete gliiarakkude migratsiooni muuta ja ajukoor võib kasvada suuremaks. Need uuringud pakuvad uut mikrotsefaalia mudelit ja uue ülevaate meie punnis aju päritolust.
