Các nhà khoa học đưa gen người Neanderthal vào "bộ não nhỏ" của phòng thí nghiệm
Khả năng giải trình tự DNA cổ đại chiết xuất từ hóa thạch đã ban tặng cho nhân loại những hiểu biết đặc biệt về sinh học phân tử của tổ tiên chúng ta. Chúng ta có thể nghiên cứu những gì người Neanderthal và người Denisovan đã ăn, nơi họ sống và cách họ dành thời gian trên Trái đất.
Nhưng sẽ không tuyệt vời khi nhìn vào bên trong bộ não của họ phải không? Để hiểu làm thế nào hệ thống dây thần kinh của chúng so với của chúng ta? Để khám phá xem bộ não con người hiện đại đã phát triển như thế nào thành máy móc phức tạp và tinh vi như ngày nay? Thật vậy, đã có nhiều tiến bộ lớn trong lĩnh vực khoa học thần kinh trong vài thập kỷ gần đây nhưng việc kỳ diệu hóa sự tồn tại của mô não cổ xưa không phải là một trong số đó. Vật liệu mềm không hóa thạch nên không thể nghiên cứu được.
Nhưng chúng ta có thể chỉnh sửa mã di truyền nhờ công nghệ chỉnh sửa bộ gen CRISPR-Cas9 . Chúng tôi cũng có thể tạo mô hình mô não trong đĩa thí nghiệm bằng cách sử dụng các organoids của não - đôi khi được gọi là "não nhỏ" - được xây dựng từ các tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSCs).
Một nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi Cleber Trujillo, cựu nhà nghiên cứu tại Đại học California San Diego (UCSD), đã sử dụng những tiến bộ khoa học này để giải quyết câu hỏi lâu nay "Điều gì khiến chúng ta trở thành con người ?" bằng cách khám phá vai trò của một gen cổ trong sự phát triển thần kinh.
NOVA1 có gì đặc biệt ?
Có 61 gen khác nhau giữa người Homo sapiens và người Neanderthal / Denisovans, Alysson Muotri , giáo sư tại Khoa Nhi và Y học tế bào và phân tử tại UCSD, đồng thời là tác giả tương ứng của nghiên cứu, giải thích. Với mục đích của thí nghiệm này, các nhà khoa học tập trung vào một gen cụ thể: NOVA1.
Muotri cho biết: “ NOVA1 là gen duy nhất hoạt động trong quá trình phát triển não sớm, trước đây đã liên quan đến các tình trạng thần kinh và là chất điều hòa chính trong hệ thần kinh đang phát triển,” Muotri nói. Những gen như vậy có được danh hiệu "gen chủ" bởi vì chúng nằm ở đầu của hệ thống phân cấp quy định gen, kiểm soát sự biểu hiện của hàng trăm gen hạ lưu thông qua nối thay thế.
Dạng cổ của gen NOVA1 khác với alen hiện đại vì nó có sự thay thế một nucleotide ở vị trí 200, dẫn đến sự thay đổi axit amin của isoleucine thành valine. Các nhà khoa học muốn nghiên cứu ý nghĩa chức năng của sự thay thế này. Muotri cho biết: “Chúng tôi muốn lập danh mục những thay đổi về bộ gen tạo nên bộ não con người hiện đại. " Giả thuyết của chúng tôi là trong quá trình tiến hóa, một tập hợp đột biến quan trọng, đã mang lại cho chúng tôi những lợi thế cho phép loài của chúng tôi tồn tại trong khi loài người khác thì không."
Một hộp công cụ của các kỹ thuật khoa học mới
Các nhà khoa học đã sử dụng công nghệ CRISPR-Cas9 để đưa biến thể cổ xưa của NOVA1 vào bộ gen của iPSCs có nguồn gốc từ hai cá thể người. Sự biểu hiện của biến thể gen đã được xác nhận thông qua giải trình tự bộ gen và các chỉnh sửa ngoài mục tiêu - một hạn chế phổ biến đối với việc sử dụng chỉnh sửa bộ gen CRISPR-Cas9 - đã được tìm kiếm. Tiếp theo, các organoids chức năng của vỏ não được tạo ra từ các dòng tế bào iPSC. Như các biện pháp kiểm soát, các organoids vỏ não cũng được tạo ra để biểu hiện các biến thể hiện đại.
Về sự xuất hiện của các organoids trong não như một công cụ nghiên cứu, Muotri nói, "Các organoids trong não bắt chước sự phát triển của não người ở một số khía cạnh, bao gồm biểu hiện gen, loại tế bào và gần đây là hoạt động thần kinh có tổ chức."
Các organoids của não không phải là một mô hình hoàn hảo. Chúng có những hạn chế bao gồm kích thước nhỏ, thiếu mạch máu và thực tế là chúng không được kết nối vật lý với một cơ thể. Muotri nhấn mạnh: “Tuy nhiên, việc trở thành một người giảm thiểu cũng có những lợi thế; nó cho phép chúng tôi xác định những thay đổi thậm chí tinh vi cụ thể hơn,” Muotri nhấn mạnh.
Các nhà nghiên cứu đã thu thập và giải trình tự RNA từ các organoids vỏ não ở hai thời điểm - một và hai tháng phát triển - để điều tra xem liệu có thể phát hiện ra bất kỳ sự khác biệt nào trong biểu hiện gen hay không. So sánh các organoit vỏ não đồng hợp tử với alen cổ với các organoit đồng hợp tử với alen người hiện đại, họ đã xác định được 277 gen biểu hiện khác biệt - nhiều trong số đó được biết là có liên quan đến các giai đoạn phát triển thần kinh khác nhau.
"Bởi vì chúng tôi không thể thử nghiệm với phôi người sống, chúng tôi cần một mô hình để tái tạo bộ não bên ngoài tử cung," - Muotri.
Muotri cho biết: “Một số gen hạ nguồn này có liên quan đến kết nối synap. Một ví dụ là gen HOMER3 , mã hóa một thành viên của họ protein HOMER được tìm thấy ở mật độ sau synap.
Các nhà khoa học cũng khám phá cách thức hình thành các kết nối của các organoit khác nhau và phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh của các organoit được cổ mẫu trưởng thành nhanh hơn những tế bào mang alen NOVA1 hiện đại . Đây là một phát hiện quan trọng từ nghiên cứu, vì nó ngụ ý rằng NOVA1 hiện đại alen có thể làm chậm sự phát triển thần kinh. Muotri giải thích: “Bằng cách phát triển thần kinh chậm, não của chúng ta có thể đạt được mức độ phức tạp cao hơn,” Muotri giải thích, ông cũng cho rằng đây có thể là một sự đánh đổi về mặt tiến hóa: “Chúng ta cần chăm sóc trẻ sơ sinh của mình cho đến khi chúng trở nên độc lập. , chúng sẽ phát triển những bộ não phức tạp hơn. Một con tinh tinh con có thể thông minh hơn bộ não con người, nhưng nó không đạt đến độ phức tạp tương tự. Điều này đúng với hầu hết các loài. Con người chúng ta là những kẻ ngoại lai theo nghĩa này. "
Một sự kiện quan trọng trong sự tiến hóa của kiểu hình thần kinh
Các kết quả chung của nghiên cứu đã khiến các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng sự thay đổi di truyền trong NOVA1 là một sự kiện quan trọng trong sự tiến hóa của kiểu hình thần kinh của con người. Như vậy, nó cần được nghiên cứu thêm. "Chúng tôi muốn điều tra thêm về giả thuyết này. Các mạng thần kinh trong não cổ xưa organoid kém thích nghi hơn so với các organoids hiện đại của con người? Chúng tôi có thể làm điều này bằng cách kích thích các organoids này bằng giao diện máy móc. Chúng tôi sẽ thách thức các mạng lưới này giải quyết các vấn đề đơn giản. một lớp phức tạp khác mà chúng tôi chưa thể điều tra nơi mà các thí nghiệm này đang diễn ra, "Muotri nói.
Chỉ ra những hạn chế đối với nghiên cứu, Muotri lưu ý rằng CRISPR có thể gây ra những thay đổi không chủ ý trong bộ gen của tế bào và điều quan trọng là phải chú ý đến khả năng này. Hơn nữa, những hạn chế của các organoit trong não có nghĩa là so sánh với não người trưởng thành là phép ngoại suy.
Một Trung tâm Khảo cổ hóa mới tại UCSD sẽ tiếp tục công việc này.
Molly Campbell
Ngày 11 tháng 2 năm 2021
Alysson Muotri was speaking to Molly Campbell, Science Writer for Technology Networks.
Reference: Trujillo CA, Rice ES, Schaefer NK, et al. Reintroduction of the archaic variant of NOVA1 in cortical organoids alters neurodevelopment. Science. 2021;371(6530). doi:10.1126/science.aax2537.
