Как построить мозг? Какие "правила" определяют, где в конечном итоге оказываются нейроны, как они соединяются друг с другом и какие функции выполняют?
"Большая часть информации, которая вам нужна для создания этой чрезвычайно сложной сети связанных клеток – мозга – закодирована генетически. Общая архитектура – это считывание генетической программы," сказал Дэвид Миллер, доктор философии.D., профессор клеточной биологии и биологии развития. "Если вы действительно хотите понять, как сделать мозг, вам нужно знать генетическую программу."
Миллер и его команда из Вандербильта работают с исследователями из Йельского и Колумбийского университетов, чтобы определить генетическую программу – экспрессию генов – для всей нервной системы нематодного червя C. elegans.
Они считают, что полная карта экспрессии генов червя поможет ответить на общие вопросы нейробиологии о том, как программы экспрессии генов устанавливают различные наборы нейронов и как генетические различия влияют на функцию нейронов в здоровых и болезненных условиях.
"Конечно, черви не люди," Миллер сказал. Но более половины генов червей сохраняются у людей, отметил он, а клеточный аппарат нейронов очень консервативен.
"Мы должны начать с экспериментально управляемой системы. Червь. Не были."
Проект, CeNGEN (C. elegans Карта экспрессии нейрональных генов & Network), поддерживается пятилетним грантом в размере 6 миллионов долларов от Национального института неврологических расстройств и инсульта. Соисследователями Миллера являются Марк Хаммарлунд, доктор философии.D., Оливер Хоберт, Ph.D., и Ненад Сестан, MD, Ph.D.
C. Черви elegans давно стали любимцами биомедицинских исследований. Биологи развития охарактеризовали каждое деление клетки от яйца до взрослого организма. Они знают, сколько там нейронов (302), где они находятся и как каждый из них связан – нервная система "схема подключения." И они могут генетически манипулировать червем, чтобы изучить функцию генов.
"У нас есть вся эта описательная информация о структуре и проводке, и у нас есть много функциональной информации," Миллер сказал. "Чего у нас пока нет, так это карты экспрессии генов – какие гены включены в каждом нейроне, чтобы сделать его уникальным и отличным от другого."
Чтобы создать атлас экспрессии генов нейронов червя, проект CeNGEN использует методы, разработанные группой Миллера, для выделения тысяч нейронов каждого типа с помощью сортировки клеток, активируемой флуоресценцией, в общем ресурсе проточной цитометрии.
Группа Миллера, в которую входят Ребекка МакВиртер, Эбби Пофф и Сет Тейлор, доктор философии.D., использует преимущества многих доступных штаммов червей, генетически созданных другими исследователями, для экспрессии определенных флуоресцентных маркеров. Путем скрещивания различных штаммов исследователи из Колумбии смогут однозначно маркировать каждый из 118 различных классов нейронов червей для изоляции в лаборатории Миллера. Затем коллеги из Йельского университета секвенируют РНК для каждого класса нейронов. Данные об экспрессии генов будут переданы научному сообществу по мере их производства.
Следователи также используют новые мощные "одиночная ячейка" методы секвенирования для получения профиля РНК отдельных нейронов. Этот одноклеточный подход может выявить, что червь содержит даже больше, чем текущее количество 118 различных типов нейронов.
"Это будет богатый источник информации в высоком разрешении о нервной системе червя, который может быть использован для разработки проверяемых гипотез," Миллер сказал.
"У нас все еще есть так много основных вопросов о нашем мозге, и один из самых больших и сложных вопросов: как генетическая программа инструктирует нейроны устанавливать связи с одними партнерами, а не с другими?? Я думаю, что простая модель – лучшее место, чтобы начать задавать этот вопрос."
Обзор проекта CeNGEN был опубликован в журнале Neuron.