Существующие генетические и эпидемиологические данные указывают на то, что происхождение психоневрологических расстройств, таких как аутизм, умственная отсталость и шизофрения главным образом связано с неправильным развитием мозга. Исследование ученых из клиники им. Майо и Йельского университета, опубликованное в журнале Science, пролило свет на регуляцию генома при развитии и указало на связь некодирующих мутаций с аутизмом.

Ученые моделировали развитие головного кортекса, используя органоиды, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Сначала исследователи установили, что органоиды, в зависимости от продолжительности выращивания, соответствуют развитию мозга в промежутке от 5 до 16 недель после зачатия. Дополнив информацию от органоидов информацией из клеток эмбрионального мозга на более поздних стадиях развития, они проследили временную динамику экспрессии генов и активности соответствующих регуляторов (энхансеров и репрессоров) с момента образования нейронных предшественников до ранних нейронов.

Анализ собранных данных показал, что динамика описывается шестью основными шаблонами экспрессии и четырьмя основными шаблонами активности, которые, как предполагается, соответствуют главным молекулярным программам в клетках растущего кортекса. Как оказалось, на ранних этапах развития клетки мозга используют в несколько раз больше уникальных регуляторов, чем на поздних стадиях.

Более того, большинство регуляторов, приобретённых человеком в ходе эволюции и отсутствующих у ближайших приматов, проявляют наибольшую активность именно в раннем мозге.

«Поломка» ранних регуляторов и есть одна из главных причин возникновения психических расстройств, предполагают руководители научной работы Алексей Абызов и Флора Ваккарино. Чтобы подтвердить это предположение, авторы работы провели анализ новых (de novo) мутаций у мальчиков, больных аутизмом, и их здоровых братьев.

Как оказалось, у детей с аутизмом мутации нарушали функции регуляторов, управляемых пятью транскрипционными факторами, в то время как у здоровых детей таких регуляторов обнаружено не было. Связь ранних регуляторов с аутизмом была также подтверждена тем, что некоторые коррелирующие шаблоны экспрессии и активности независимо сошлись на наборе генов, изменения в которых, как было установлено предыдущими исследованиями, предрасполагают к аутизму.

Таким образом, авторы показали, что использование органоидов позволяет изучать молекулярные процессы в мозге на стадиях развития, для которых едва ли можно получить образцы тканей. Более того, органоиды, в сочетании с анализом регуляции, позволяют транслировать знания о причинах аутизма с уровня генов до уровня мутаций в индивидуальном геноме.

Вероятно, полученные результаты помогут объяснить причины возникновения других психоневрологических расстройств помимо аутизма, что, в свою очередь, может привести к выявлению генетической предрасположенности, ранней диагностике и более действенному лечению.

Над исследованием, которое является частью проекта ПсихЭНКОДЕ (PsychENCODE), работала команда из 17 человек из трех научных учреждений: клиники им. Майо, Йельского университета и университета Дьюка.