Ученые открыли новый принцип образования нейронов

Группа исследователей из Каролинского Института в Швеции под руководством нашего соотечественника Игоря Адамейко выяснила, как образуются нейроны парасимпатической нервной системы.

Это важная часть нервной системы, которая регулирует сокращение сердца, тонус сосудов, работу желудочно-кишечного тракта и других органов. Результаты работы нейробиологов опубликованы в журнале Science.

Игорь Адамейко рассказал журналисту пресс-центра КФУ о проведенной учеными Каролинского Института работе.

- Многие живые организмы, включая людей, состоят из большого числа разнообразных и высоко специализированных клеток, которые постепенно образуются в процессе индивидуального развития, - делится Игорь. - Понимание законов и принципов возникновения такого интегрированного многообразия позволит не только осуществить обратную инженерию живых систем, но также и бороться с множеством врожденных генетических заболеваний или даже более поздних нарушений, таких как рак.

Очень часто в эмбриогенезе некоторые специализированные и уникальные типы клеток не могут быть получены локально и являются производными от ранних мигрирующих клеток-предшественников, приходящих из других мест. Эти клетки-предшественники перемещаются на относительно небольшие расстояния как правило в то время, когда тело эмбриона еще мало.

Таким образом, мигрирующие клетки могут легко добираться до своих пунктов назначения по специальным маршрутам, обозначенным навигационной машинерией растущего эмбриона. Тем не менее, многие органы в нашем теле развиваются сравнительно поздно, когда эмбрион уже достиг значительных размеров, а, значит, все увеличивающиеся расстояния становятся фактически непреодолимы для простой миграции. Несмотря на это, даже поздно развивающиеся структуры вполне благополучно получают необходимые клеточные элементы, которые не могут быть сгенерированы локально в исходной ткани органа. Хорошим примером являются исключительно мультипотентные клетки нервного гребня, которые в процессе раннего развития выползают из дорсальной нервной трубки и, после активной миграции, дают начало сотне различных клеточных типов начиная с сенсорных нейронов в ганглиях дорсального корешка и заканчивая висцеральным скелетом головы. Однако свободная миграция клеток нервного гребня вполне закономерно ограничена стадией развития и размером эмбриона.

Более двадцати лет назад стало известно, что парасимпатические нейроны в телах внутренних органов тоже развиваются исходно из линии мигрирующих клеток нервного гребня, однако никто не мог объяснить их весьма позднее появление. Одной из интересных особенностей клеток нервного гребня является то, что они также дают начало линии периферических глиальных клеток, которые ранее рассматривались исключительно как элементы, поддерживающие нервы и влияющие на передачу сигнала. Именно эти клетки, покрывающие поверхность нервных волокон, сыграли ключевую роль в нашей работе и пролили свет на формирование значительной части автономной нервной системы из клеток нервного гребня.

В результате разнообразных экспериментов с использованием трансгенных животных мы обнаружили совершенно новое явление в биологии развития ? рекрутирование мультипотентных глиальных клеток-предшественников из вездесущих периферических нервов. Наше открытие объясняет, как мультипотентные предшественники вроде клеток нервного гребня оказываются в точках назначения несмотря на естесственные ограничения свободной миграции. Нервные волокна в эмбрионе распространяются на большие расстояния по всему телу, начиная с достаточно ранних стадий развития, и несут на себе специальные клетки-дериваты нервного гребня, которые называются предшественниками Шванновских клеток (разновидность эмбриональной периферической глии). Оказалось, что парасимпатические нейроны, контролирующие работу внутренних органов, развиваются как раз из мультипотентных предшественников Шванновских клеток, которые рекрутируются с пресинаптических парасимпатических нервов, уже проросших близко к развивающемуся органу-мишени и доставивших туда стволовые элементы фактически на себе.

Таким образом, мы демонстрируем новый принцип развития, состоящий в рекрутировании и репрограммировании эмбриональной периферической глии, что, вероятно, широко реализуется также при регенерации и поддержании тканевого гомеостаза во взрослых организмах. Несмотря на элегантность и красоту этого принципа, до сих пор неясно, как контролируется необходимое количество парасимпатических нейронов и почему только некоторые предшественники Шванновских клеток дают начало нейронам в сторого определенных местах.

Для поддержания собственной идентичности и локализации, периферические глиальные клетки устанавливают специальный молекулярный контакт с поверхностью нервного волокна через нейрегулин-рецепторное взаимодействие. Фактически, нейрегулин, заякоренный на мембране аксона или дендрита, сообщает глиальной клетке информацию о ее верном положении на нерве, стимулирует выживание, пролиферацию и сам глиальный фенотип. Нарушение данного взаимодействия между клеткой и нервным волокном как правило ведет к гибели, однако, выключение такого взаимодействия также предшествует конверсии глиальных клеток в нейроны. Эволюционный взгляд на формирирование парасимпатических нейронов из глиальных элементов позволяет оценить оригинальность механизмов и исходных клеточных типов, используемых для создания эволюционно новых и относительно недавних нейральных структур в периферических тканях хордовых животных. Эволюционная тенденция к частичной децентрализации нервной системы в линии хордовых механистически реализует себя через способность клеток нервного гребня и периферических глиальных клеток производить нейрональные дериваты, включающие, например, механо- и проприосенсорные нейроны за пределами центральной нервной системы, а также симпатические и парасимпатические нервные клетки, контролирующие работу внутренних органов, в том числе через глию на нервах в качестве важного промежуточного этапа. Наиболее неожиданная находка нашего исследования состоит в том, что абсолютно все нейроны парасимпатической нервной системы возникают во время эмбрионального развития из клеток-предшественников, предоставляемых периферическими пресинаптическими нервами.

Современные классические представления предлагают картинут развития нервной системы, где нейроны, которые будут в будущем объединены в функциональную сеть, формируются из различных классов предшественников совершенно независимо и зачастую на большом расстоянии друг от друга. В дальнейшем отростки этих нейронов проделают сложный и долгий путь, узнают друг друга и установят контакт, следуя весьма сложным молекулярным правилам. В нашем случае мы дополняем классическую модель и демонстрируем новый тип природной логики, когда пре- и постсинаптические нейрональные элементы, а также их соединения между собой, программируются простым рекрутированием будущих постсинаптических нейронов из пресинаптических нервов, несущих на себе мультипотентные глиальные клетки. Другими словами, появление одного из нейронов в паре, образующей соединение, физически зависит от нейрона-партнера. Генетически-опосреднованное удаление пресинаптических нервов в раннем эмбриогенезе приводило к полной потере постсинаптических парасимпатических нейронов на значительно более поздних стадиях развития. В другом эксперименте, раннее генетически-опосредованное уничтожение самих периферических глиальных клеток приводило к точно таким же результатам.

Таким образом, пресинаптические волокна, приходящие из центральной нервной системы, определяют формирование и, видимо, локализацию будущих парасимпатических ганглиев и отдельных нейронов, контролирующих как работу сердца, просвет сосудов, так и работу многих желез в нашем теле. Данные, полученные в нашем исследовании, позволят в будущем развить новые регенеративные концепции лечения врожденных заболеваний вегетативной нервной системы с использованием управляемой конверсии периферических глиальных клеток.

Определенно, наши результаты дополнят набор фундаментальных принципов, регулирующих развитие нервной системы и привлекут внимание со стороны специалистов как по стволовым клеткам, так и по нейронаукам. Основная работа по данному проекту была выполнена в Каролинском Институте в Стокгольме, Швеция.

Биология - его жизнь, а квантовая физика - хобби

Так отозвался об авторе статьи,  исследователе из Каролинского Института в Швеции Игоре Адамейко ведущий научный сотрудник виртуальной научно-исследовательской лаборатории OpenLab Экстремальная биология Олег Гусев.

- Игорь - очень уникальный случай в науке. Он защитил диссертацию в РФ и после небольшой работы постдоком в Каролинском Институте - ведущем мировом медицинском вузе, где выбирают нобелевских лауреатов, - стал там профессором. Ему всего 34 года, а он уже мега-величина в биологии развития. Он делает науку как раз на том балансе биологии и медицины, который просто оптимален и перспективен. Думаю, лет через 5-10 его открытия будут в учебниках по биологии развития.

Кстати, Игорь - партнер по исследованиям в научно-исследовательской лаборатории Open Lab "Экстремальная биология" Института фундаментальной медицины и биологии КФУ.

Игорь Aдамейко