Gwiazdy w naszym mózgu

To konieczne, jeśli chcemy zrozumieć, jak funkcjonujemy, poznajemy świat, jak przebiega ewolucja wewnątrz nas, w siedlisku naszych myśli. Astrocyt jest komórką, bez której nie funkcjonuje mózg, bo nie ma czegoś takiego jak mózg bez astrocytów – podobnie jak nie ma go bez neuronów.

Pierwsze prace na ten temat, np. Santiago Ramóna y Cajala, zawierały piękne rysunki, pokazujące, że są komórki, które wypełniają przestrzeń między neuronami. Wydaje mi się, że z przekonania, iż jest to bardziej spoiwo niż ważny budulec oraz nieodzowna część tkanki nerwowej, wynikało to, że ówcześni badacze nie do końca chcieli się skupić na astrocytach.

W niektórych barwieniach rzeczywiście tak jest. Barwimy komórki, by odkryć ich strukturę, poznać, gdy chorują, kiedy są zdrowe. Wygląd astrocytów pod mikroskopem zależy od tego, jak je wybarwimy – jeśli skupimy się na ich głównych wypustkach, to rzeczywiście będą wyglądały na piękne i gwiaździste. Natomiast, kiedy skoncentrujemy się na całej strukturze, bardziej będą przypominały gąbkę, bo te pierwsze wypustki, które wychodzą z ciała komórki, dają kolejne i kolejne – tak naprawdę są ich setki tysięcy. Możemy sobie wyobrazić astrocyt w trzech wymiarach jako delikatną poświatę różnych wypustek.

Tak. Tymi wypustkami astrocyty kontaktują się między sobą. Wypustki skanują też cały czas tkankę mózgu, dotykając często synaps, opatulając je, dzięki czemu mogą nadzorować to, co dzieje się w neuronach.

Prawdopodobnie. Obecnie prowadzone są badania, czy tak jest, bo do końca nie wiadomo, jak długo neurony i system wymiany informacji między nimi funkcjonowałyby bez obecności astrocytów.

Mamy hipotezę, że w toku ewolucji neuron zdobywał coraz więcej kompetencji w przekazywaniu informacji i jej przechowywaniu, więc zrzucał odpowiedzialność za pewne sprawy na inne komórki. Tak naprawdę w momencie, kiedy neurony zaczynały tworzyć skomplikowane struktury, czyli zespoły, musiały wykształcić się komórki, które odpowiadały za ochronę tych zespołów oraz ich współdziałanie. Myślimy, że właśnie wtedy narodził się system komórek glejowych: astrocytów. Ich zadaniem jest podtrzymanie prawidłowego funkcjonowania neuronów, m.in. dostarczanie im substancji odżywczych, usuwanie produktów przemiany materii, sprawianie, by pH na zewnątrz komórki było prawidłowe i były dostarczane prekursory do produkcji neuroprzekaźników. Astrocyty odpowiadają również za komunikację mózgu z resztą ciała, tworząc barierę krew–mózg.

Teorię, że astrocyty to coś więcej niż struktura, na której opierają się neurony, potwierdza fakt, że przeszczepianie myszy ludzkich prekursorów astrocytów sprawia, że gryzonie stają się mądrzejsze, m.in. szybciej się uczą. Tutaj muszę dodać, że to wyjątkowa, eksperymentalna praca, ale jej wyniki są fascynujące. Do końca nie wiemy, w co te prekursory się przekształciły, autorzy badań wskazują, że dały w ogromnej większości astrocyty. My w swojej pracy poszliśmy krok dalej – jesteśmy w trakcie eksperymentu, w którym wszczepiliśmy „dorosły” ludzki astrocyt w mózg myszy, ale nie mogę jeszcze mówić o jego wynikach.

Bo modyfikujemy system wewnątrz komórki i sprawdzamy, czy dane zjawisko jest wywoływane przez jakiś szlak przekaźnictwa sygnałów albo gen, który kontroluje ten proces. Chcemy się dowiedzieć, co leży u podstaw strukturyzowania się chromatyny w okresie rozwoju prekursorowej komórki mózgowej, która może się stać zarówno astrocytem, jak i neuronem, ale na końcu wybiera jedną ścieżkę. Pamiętajmy, że zasadniczo wszystkie komórki w naszym ciele mają to samo DNA; wyłączamy z tego oczywiście erytrocyty, które w dojrzałym stadium nie mają jądra komórkowego, oraz białe krwinki B i T, w których zachodzi rekombinacja materiału genetycznego.

To, dlaczego tak się dzieje, stanowi jeden z podstawowych problemów biologii molekularnej, która zajmuje się głównie tym, skąd komórki wiedzą, co mają ze sobą robić, jak funkcjonować, czym są. To jest tożsamość komórkowa. Nowe badania pokazują, że za tożsamość komórki odpowiada specyficzny zestaw genów, który jest aktywny. Przyjmijmy, że jeśli chodzi o geny kodujące białka, mamy ich ok. 20 tys. w każdej komórce. Na tej podstawie możemy sobie wyobrazić, jak dużo jest kombinacji aktywności genów. I to właśnie od nich zależy, jak komórka się rozwija i czy stanie się neuronem, astrocytem czy elementem skóry. Nasza praca opisuje, jak to się dzieje, że podczas rozwoju komórka ten stan obrania danej tożsamości stopniowo zamyka, że już napędza ją tylko jeden określony zestaw genów. Wiąże się to ze strukturą chromatyny w trzech wymiarach.

W komórkach naszego ciała DNA nie występuje w postaci wolnej, bo nie dałoby się go upakować w jądrze komórkowym, które jest maleńką strukturą. DNA jest supercieniutką, bardzo długą niteczką. I żeby ją upakować, a na dodatek by się nie porozrywała, ewolucja wymyśliła, że ma być nawijana na białka nazywane histonami. W ten sposób tworzy się system „koralików” na nitce, co doskonale widać pod mikroskopem elektronowym. DNA z białkami nazywamy chromatyną.

Domeny są poziom wyżej: jedna domena składa się z wielu koralików. W komórce jest cały system białek utrzymujących chromatynę w określonych strukturach, by dało się łatwo ją powielić w trakcie podziału komórki. Jedno z nich – CTCF – bierze udział w tworzeniu domen i pilnuje, by znajdujące się w nich geny były prawidłowo aktywowane. Możemy sobie wyobrazić, że aktywny gen poplącze się w domenie z genami nieaktywnymi i zacznie odbierać sygnały, że powinien się wyciszyć, a my tego nie chcemy.

Wcześniejsze badania ujawniły, że w pierwszych etapach rozwoju embrionu chromatyna i domeny są bardzo dynamiczne, jest wiele możliwości interakcji między różnymi fragmentami komórkowego DNA.
A im bardziej rozwój układu nerwowego postępuje, tym mocniej domeny się konsolidują – są bardziej powtarzalne i stabilne. Badaliśmy, jak białko CTCF, które odpowiada za tworzenie się granic między domenami, jest w stanie to robić. Oznacza to, że decyzja o tym, czy komórka prekursorowa stanie się neuronem albo astrocytem, jest związana ze strukturą chromatyny. Nadal to badamy.

Mówiłam wcześniej, że ludzkie DNA zawiera informację na temat ok. 20 tys. genów, które kodują białka, ale okazuje się, że dwa lub trzy razy więcej jest w nim genów, które tego nie robią. Dają tylko produkt w postaci cząsteczki RNA.

I okazuje się, że jest cała masa cząsteczek RNA, które nie są „odczytywane” i nie dają produktu w postaci białka – ale też mają swoje funkcje. Pojawiają się bardzo ciekawe prace, dowodzące, że niekodujące RNA ma istotną funkcję w tworzeniu się struktur w jądrze komórkowym, w sterowaniu aktywnością innych genów. My z kolei odkrywamy, że CTCF konsoliduje strukturę chromatyny, zamykając granice domen dzięki współpracy z niekodującym RNA Pantr1.

Choć w mózgu Pantr1 jest produkowane w ogromnych ilościach, nie wiadomo dokładnie, jak działa. Jedna ze współautorek naszego artykułu próbuje teraz zrozumieć, jaka jest funkcja Pantr1 w rozwoju mózgu w ciągu naszego życia. Wcześniejsze prace pokazują, że jest istotna, a jego produkcja zwiększa się przy nowotworach. Wydaje się więc, że pełni ważną rolę w regulacji tożsamości komórek, bo czymże innym jest nowotwór, jak nie zachwianiem tożsamości komórki, niekontrolowaną zmianą w planie jej zadań.

Prace innych badaczy pokazują, że Pantr1 jest ważny dla zdolności komórek prekursorowych do podziału, a nowotwór charakteryzuje się właśnie takim niekontrolowanym wzrostem.

Można tak wnioskować, ale tego jeszcze nie ustaliliśmy. Na razie przeprowadziliśmy eksperymenty, w których niekodujące RNA usuwamy, czyli próbujemy wywołać odwrotną sytuację. Rzeczywiście, komórki mają wtedy bardzo duże problemy z namnażaniem się. Glejaki, nowotwory związane z komórkami gleju (astrocytami), mają duży komponent komórek macierzystych samego nowotworu, czyli komórek, które bardzo trudno usunąć chemioterapią i innymi metodami leczenia, bo uciekają i mają swoje systemy obronne. Można wysnuć hipotezę, że kiedy zwiększa się ilość i aktywność Pantr1 w mózgu, prowadzi to do wzmożonych podziałów tych komórek.

Byłoby super znaleźć magiczny pocisk, który usunąłby Pantr1 i komórki nowotworowe z mózgu…

Z pewnością. (śmiech)

Są badania na myszach, które dowodzą, że usunięcie określonego genu nie prowadzi do kolapsu całego organizmu, ale to też pokazuje, że jest wiele mechanizmów zapobiegających katastrofie związanej z usunięciem jednego białka. Jednak nie prowadzimy badań w całym możliwym spektrum konsekwencji, bo trudno zbadać gen dokładnie pod wszystkimi możliwymi kątami i stwierdzić, że naprawdę nie ma na nic wpływu. Ale rzeczywiście, badania z ostatnich 15–20 lat pokazują, że komórka bardzo sprawnie wykorzystuje wszystkie narzędzia, które ma do dyspozycji. Na przykład niekodujące DNA – rozsiewając tam elementy regulatorowe, które definiują poziom aktywności każdego genu w danych tkankach.

Na te pytania w pewnym stopniu odpowiadają nasze najnowsze badania. Białko CTCF występuje nie tylko u człowieka; w ludzkim mózgu jest go mniej niż np. u makaka. To zaskakujący wynik, sugerujący, że ewolucja steruje strukturą chromatyny. I co ciekawe, CTCF jest białkiem, którego brak albo utrata nawet małej ilości prowadzi do zaburzeń intelektualnych, spowolnienia rozwoju intelektualnego u człowieka. Odkrywamy, że bardzo dużo genów, które kodują czynniki powiązane już wcześniej ze zdolnościami intelektualnymi człowieka, jest ewolucyjnie sterowanych. Ich poziom się zmienia w toku ewolucji astrocytu. Odkrywamy mechanizmy, które łączą ewolucję z mechanizmem wyższych zdolności mózgu.

Na pewno ochronę. Jednocześnie wygląda na to, że ewolucja pcha organizmy w stronę obniżania ilości tego białka, co widać u ludzi, bo nasze mózgi są bardziej rozwinięte niż u makaków. Nie wiemy jeszcze, z czym jest to związane, dlaczego tak się dzieje ani co to daje w kontekście rozwoju astrocytów i całego mózgu.

Tak by to sugerowało. Na pewno jest cała grupa genów, nie tylko ten odpowiadający za produkcję CTCF, będących ewolucyjnie w takim punkcie, że jakiekolwiek zachwianie ich aktywnością prowadzi do dewastujących konsekwencji, jeśli chodzi o rozwój mózgu. Być może ewolucja będzie dążyła do tego, by włączyć system buforujący te dalsze straty? Obecnie ludzie, którzy cierpią na choroby rozwojowe mózgu – i doświadczają deficytu intelektualnego – często nie dają potomstwa. Czyli ich mutacje giną, natura ich eliminuje.

Nie. (śmiech) Chcę powiedzieć, że jeśli ma się daną mutację DNA, to nie fatum czy wyrok. Genom potrafi w piękny sposób buforować różne niekorzystne cechy. Częstokroć osoby z niekorzystnym wariantem genu są jedynie jego zdrowym nosicielem, co znaczy, że zadziałał u nich system kompensacyjny.

Stopniowo wzrasta jego złożoność, co by sugerowało, że nabieramy nowych zdolności powiązanych z wysokimi funkcjami mózgu: uczeniem się, pamięcią. Złożoność rośnie, ale pytanie, co to może dokładnie oznaczać, wciąż pozostaje otwarte.©Ⓟ

Badania zespołu prof. Aleksandry Pękowskiej zrealizowano w ramach grantu OPUS-17, przyznanego przez Narodowe Centrum Nauki (2019/33/B/NZ2/02437), oraz grantu Dioscuri (program zainicjowany przez Towarzystwo Maxa Plancka, zarządzany wspólnie z Narodowym Centrum Nauki i finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań