Мобильный мозг

В конечном счете именно нейроны дают начало огромному разнообразию клеток, формирующих головной мозг.
Фото из журнала Nature

Почему мы не можем думать абсолютно одинаково? Даже если нам кажется, что наши мысли схожи, на самом деле это не так. Мозг каждого человека уникален: даже у близнецов, идентичных по всем остальным признакам, строение этого органа индивидуально. Ученым удалось понять, почему.

Группе генетиков из Института биологических исследований в Сан-Диего, США, совместно с российскими биологами из Института мозга РАН удалось частично расшифровать тайну невероятного многообразия строения и функций головного мозга. Ключ к разгадке – мобильные, или «прыгающие», генетические элементы – фрагменты ДНК, способные перемещаться из одного места генома в другое, изменяя генетическую информацию отдельных нервных клеток. Напомним, в головном мозге человека – 1014 нейронов. Возникновение определенного количества таких изменений и приводит к качественному сдвигу – формированию индивидуальности головного мозга, считают ученые. Но вот почему это происходит, случайны ли такие «прыжки», – остается тайной.

«Необычное свойство некоторых генов менять свое местоположение было открыто американской исследовательницей Барбарой Мак-Клинток в 1949 году, – рассказывает доктор биологических наук, старший научный сотрудник Института мозга Ольга Свияш. – Поначалу смелое заявление ученого вызвало неприятие среди ее коллег, и долгие годы Барбара была вынуждена находиться в интеллектуальной ссылке. А в 1983 году 82-летняя исследовательница была удостоена Нобелевской премии за открытие, сделанное почти 40 лет назад. Ученый мир признал ее правоту».

Изучение «прыгающих генов» – так часто теперь называют подвижные элементы в ДНК, открытые Мак-Клинток, – сейчас стало обширной и интенсивно разрабатываемой областью молекулярной биологии. Это участки ДНК, способные передвигаться из одного места в хромосомах в другое, встраиваясь рядом с генами и часто меняя при этом их работу. Но то, что подобные механизмы происходят и в мозгу, долгие годы было тайной за семью печатями.

«Не секрет, что мозг каждого человека уникален, – говорит руководитель исследований, доктор биологии Роналд Рейсон. – Он имеет ряд индивидуальных характеристик с точки зрения объема и скорости обработки информации, преобладания той или иной системы памяти, гибкости мыслительных процессов и т.д. Но почему это так? Мы полагаем, что именно с помощью мобильных элементов достигается разнообразие нейронов в главном мыслительном аппарате человека, а также последующий отбор наиболее жизнеспособных клеток. Интересно, что этот процесс характерен только для головного мозга и не затрагивает другие органы».

Процесс формирования нейронов очень сложен. Клетки эмбрионального головного мозга, абсолютно одинаковые по структуре и свойствам, впоследствии превращающиеся в нейроны. Поначалу они тоже не отличаются друг от друга ни морфологически, ни функционально. Но в конечном счете именно нейроны дают начало огромному разнообразию клеток, формирующих головной мозг. Как и почему это происходит? Что заставляет нейроны измениться? Этот вопрос давно волновал умы исследователей. Предполагалось, например, что формирование клеток головного мозга схоже с процессом становления иммунных клеток организма, тоже, как известно, не повторяющих одна другую.

«В иммунной системе гены, кодирующие антитела, много раз перетасовываются и комбинируются, – поясняет Ольга Свияш. – Это позволяет организму синтезировать множество отличных друг от друга антител, способных распознавать неограниченное количество антигенов – чужеродных организму агентов».

Чтобы лучше понять процессы, творящиеся в нашей голове, исследователи изучили поведение человеческого мобильного генетического элемента LINE-1, или L1, в культуре крысиных нервных клеток-предшественников. После этого помеченные специальным красителем элементы L1 были введены мышам. Каждый раз, когда L1 менял свою локализацию, клетка, в геном которой он встраивался, начинала светиться зеленым светом. Через некоторое время такие клетки, как фонарики, вспыхивали по всему объему головного мозга животных. «Это означает, что изучаемый процесс в действительности происходит в живом организме и не может быть артефактом, проявляющимся в культуре клеток», – поясняет Ольга Свияш.

Такие «прыгающие гены» составляют до 17% ДНК, но о них по-прежнему известно совсем немного. Ранее эти фрагменты относили к «бесполезной ДНК»: они считались внутриклеточными паразитами либо атавизмами нашего эволюционного прошлого. Но, по всей видимости, ничего бесполезного природа не создает.

«Еще рано делать выводы о том, как часто мобильные генетические элементы перемещаются в нервных клетках человека, каким образом происходит регуляция этого процесса и что случается при его нарушениях, – говорит Ольга Леонидовна. – Кроме того, помимо изучаемого L1 существует еще множество мобильных генетических элементов, функции которых могут быть иными. На все эти вопросы исследователям еще предстоит найти ответы».