Hjärnans utveckling är som en noggrant koreograferad dans: neuroner utvecklar specifika funktioner och rör sig genom hjärnans lilla räckvidd för att nå rätt plats, vilket, genom de resulterande kemiska signalerna, utrustar djuret att tänka, känna och överleva.
Vid neuroutvecklingsstörningar (NDD) kan dock hundratals mutationer i DNA avbryta denna process, men forskarna vet fortfarande inte hur dessa mutationer avbryter det exakta mönstret av neuronal differentiering eller migration. När det gäller experimentell design är det för riskabelt att studera dessa defekter direkt i embryon eller nyfödda, och användningen av andra djurmodeller kan leda till mindre exakta resultat.
I en ny studie publicerad i Nature, kombinerade Stanfords neuroforskare Sergiu Paşca och hans team monteringstekniker med CRISPR-genredigering för att bestämma rollen för neuroutvecklingssjukdomsgener i typisk hjärnutveckling och störningen som uppstår när de är frånvarande1.
"Vi har äntligen fått en lång lista med gener som orsakar autism", säger Paşca, "och frågan är hur vi förstår deras funktion, särskilt i samband med den mycket komplexa mänskliga hjärnans utveckling."
Under det senaste decenniet har forskare kunnat omvandla stamceller till hjärnorganoider, tredimensionella kluster av celler som kan växa celltyper och strukturer som liknar den mänskliga hjärnan.2 För sex år sedan tog Paşcas team denna teknik ett steg vidare genom att sammansmälta två organoider, som var och en representerar ett annat område av hjärnan.3 Denna nya modell, känd som en "sammansättning", har gjort det möjligt för forskare att utveckla en ny modell av den mänskliga hjärnan. Denna nya modell, kallad "sammansättningen", tillåter forskare att på konstgjord väg simulera de interaktioner som sker inom hjärnan.
Den nya studien fokuserar på interneuroner, som bär viktiga perceptuella och motoriska signaler i hjärnan. Under utvecklingen migrerar dessa neuroner från en plats i framhjärnan till en annan och reglerar överdriven avfyring av andra neuroner, en process som vissa tror störs vid neuroutvecklingsstörningar4.
Paşcas team tillverkade mer än 1,000 organoider som efterliknar migreringen av främre hjärnans interneuroner som börjar i subcortex och slutar i cortex. I varje subkortikal organoid använde de CRISPR-genredigering för att eliminera en av de 425 gener för neuroutvecklingsstörningar som screenades av forskarna. De smälte sedan de genredigerade subkortikala organoiderna till de kortikala organoiderna och genererade sammansättningarna. Genom att märka internuronerna med molekyler som avger grönt ljus kunde forskarna spåra genereringen av interneuronen och dess migration mellan hjärnbarken och cortex.
Interneuroner (gröna) migrerar genom hela samlingen på ett sätt som liknar hur de migrerar till cortex under hjärnans utveckling (bildkälla: Sergiu Paşca Laboratory)
Forskare fann att 11 % av generna för neuroutvecklingsstörningar spelar en viktig roll i internuronfunktionen. I frånvaro av vissa gener kan inte interneuroner bildas alls. Att eliminera andra gener förhindrar internuroner från att flytta från subkortikala-liknande organ till närliggande kortikala-liknande organ. En djupgående studie av LNPK-genen har visat att den stör förflyttningen av interkalerade neuroner genom subcellulära strukturer, vilket förhindrar cellerna från att resa genom hjärnan.
Paşca sa, "Vi har nu kunnat komma åt hundratals gener och titta på deras roll i mänsklig hjärnans utveckling på ett integrerat sätt, vilket inte kunde göras tidigare." Han tror att detta tillvägagångssätt kan hjälpa till att identifiera nya sjukdomsframkallande gener. "När vi har identifierat alla gener som stör migrationen av interneuroner kan vi kanske hitta sjukdomsorsakande gener som vi inte visste om tidigare eftersom patienter är så sällsynta."
Yale-genetikern Kristen Brennand, som inte var involverad i studien, sa att forskningen ger ett mer fysiologiskt relevant sammanhang för den mänskliga hjärnan än tidigare studier med neurala stamceller. Hon betonade dock vikten av att upprepa studien med fler prover. Tre olika personer kan ärva samma riskgen, men en har autism, en har schizofreni och en är opåverkad", konstaterade hon. Sällsynta NDD-gener fungerar inte isolerat."
Paşca inser att migration av interneuron bara kan leda till en bråkdel av fall av neuroutvecklingsstörningar, men han tror att studier av dessa viktiga sjukdomsprocesser lovar att leda till potentiella nya läkemedel för att behandla eller reparera defekterna. Hans team har redan börjat dissekera hur dessa gener påverkar internuronfunktionen.
"Mitt labb är känt för att utveckla verktyg, men det var aldrig riktigt målet", säger Paşca, "Mitt mål är att förstå biologin bakom allvarlig psykisk sjukdom."
