فهم مخيخي تشكيل نقش

أنا كاثي ميلان، أستاذ مساعد في جامعة شيكاغو بقسم الوراثة البشرية وقسم أمراض الأعصاب. وأعمل على دراسة تطور الدماغ، وبالتحديد تطور المخيخ، وهو جزء من الدماغ يقع هنا في الجزء الخلفي من الجمجمة.

وهو مشهور للغاية بدوره في التطور الحركي، ولكن تبين أنه يشارك في الكثير من الأمور الأخرى. وهو جزء مثير للاهتمام حقاً من الدماغ. أما تشكيل الأنماط فهو تطوير نمط معين في نظام بيولوجي، وهي واحدة من هذه الكلمات التي يستخدمها علماء الأحياء التنموية بطريقة فضفاضة لتعني تقريباً أي شيء.

وفي الواقع، ليس من الواضح تماماً ما يعنيه ذلك. أعتقد أن كل عالم في بيولوجيا التطور سيعطيك تعريفاً مختلفاً عما يعنيه بالنسبة لي. ما يعنيه هو كيف يعرف الدماغ، وبالتحديد المخيخ، الفرق بين الأعلى والأسفل، وكيف يتم تحديد اليمين واليسار؟

كيف يتم تحديد أي جزء من البنية سيصبح جزءاً معيناً؟ وبمجرد اتخاذ تلك القرارات الجنينية المبكرة والأساسية والحاسمة، كيف يتم تجميع كل البنية الخلوية لتكوين الجزء المنظم بدقة في الدماغ والذي نسميه المخيخ؟ لذا، نحن مهتمون حقاً بتطور المخيخ ومعلومات النمط في المخيخ النامي.

نظرًا لأن المخيخ نسيج ذو نمط دقيق للغاية، فهو لا يحتوي على الكثير من الطبقات الخلوية ولا على الكثير من أنواع الخلايا؛ لذا، وبالمقارنة مع أجزاء الدماغ الأخرى، فإنه يُعد بنية بسيطة نسبيًا.

وأيضاً لأن للمخيخ وظيفة محددة للغاية، أو إحدى وظائف عديدة، وهي التنسيق الحركي. فعندما تعاني الفئران أو البشر من تشوهات في المخيخ، يكون أحد الأنماط الظاهرية الناتجة هو عدم التنسيق الحركي. وبناءً على ذلك، وعلى مدار مائة عام أو نحو ذلك من علم وراثة الفئران، تم اكتشاف وتوصيف العديد من الطفرات التلقائية في الفئران إلى حد ما، ولكن تم أيضاً مجرد عزل فئران تعاني من تشوهات حركية وتركها في مختبرات جاكسون (Jackson Labs).

وأعتقد أن عدداً كبيراً من هذه الفئران، ما يزيد عن 60 سلالة تلقائية، تعاني من تشوهات نمائية في المخيخ. لذا فإن هذا المورد يمثل مصدراً غنياً وقيماً للغاية لدراسة الآليات النمائية التي تقود تشكيل أنماط المخيخ. ومن الأمور التي يركز عليها مختبري هي الاستفادة من جميع الأدوات التي وفرتها لنا مشروع الجينوم البشري ومشروع جينوم الفأر، واستخدام تلك الكواشف الجزيئية للبحث عن الجينات الطافرة في جميع تلك الطفرات التلقائية.

ومن خلال إيجاد تلك الطفرات، نتبع نهجاً محورياً على النمط الظاهري للعثور على الجينات. لذا، فنحن لا نقوم باختيار الجينات عشوائياً وتعطيلها، بل نبحث عن الأنماط الظاهرية ثم نحدد الجينات المسؤولة عنها، لأننا باستخدام هذا النهج، نحدد بدقة الجينات ذات الصلة الوثيقة بالنظام محل الدراسة.

لذا قام مختبرنا والعديد من المختبرات الأخرى باستنساخ عدد من هذه الطفرات الفأرية التلقائية. وقد أدت تلك الطفرات الفأرية التلقائية إلى اكتشافات بيولوجية جديدة ومثيرة للغاية، وذلك لأننا نتبع هذا النهج القائم على النمط الظاهري.

نحن لا نضع أي تصورات مسبقة حول نوع الجينات التي سنجدها. فنحن لا نبحث تحديداً عن نظائر dal ho أو طفرات القنوات. بل نهدف للوصول إلى الجينات التي تمليها الأنماط الظاهرية.

وبسبب ذلك، فإننا نتعلم الكثير من البيولوجيا الجديدة. فعلى سبيل المثال، أحد الجينات أو أحد الأنماط الظاهرية التي عمل عليها مختبري، وبالتعاون مع زميل آخر، جيم لينج، عندما كنت في مرحلة ما بعد الدكتوراه، هو طفرة في الفئران تسمى dre، وهي كلمة ألمانية تعني المغزل أو الدوران مثل البلبل. وقد ظهرت هذه الفئران الطافرة لأول مرة في عام 1929 في ألمانيا، وتم تجميعها في مختبرات جاكسون.

توجد أليلات متعددة لهذا الموقع الكروموسومي بالتحديد، وكان من المعروف أن المخيخ قد تشكل بشكل غير صحيح. لذا كانت جميع أنواع خلايا المخيخ موجودة، ولكن نمط المخيخ كان غير طبيعي؛ حيث كان الجزء الأوسط مفقوداً، ويسمى هذا الجزء الأوسط بالـ verus.

واكتشفنا وجود نمط ظاهري جنيني مبكر في هذه الفئران أدى إلى ذلك النمط الظاهري في مرحلة البلوغ. وكان هذا النمط الظاهري نتيجة طفرة في جين يسمى LMX1A، والذي يرمز إلى limb homeodomain containing box 1. في الواقع، يُعد جين LMX1A جيناً مثيراً للاهتمام ومهمًا للغاية في علم الأحياء التنموي، لأنه أحد أهم الجينات المحددة لما هو علوي في الجهاز العصبي المركزي أو ما يُعرف بالمنطقة الظهرية.

وبدون وجود هذه الطفرة النادرة، لم يكن أحد يعرف في الواقع وظيفة هذا الجين. في الواقع، كان قد تم اكتشافه لأسباب أخرى في الخلايا المنتجة للأنسولين في البنكرياس، وكان هناك أشخاص آخرون يدرسونه لمعرفة دوره المحتمل في مرض السكري.

ولكن في الواقع، تبيّن أن جين LMX1A بمفرده ليس له أي دور في تطور البنكرياس أو تطور خلايا جزر لانجرهانس. وفي الواقع، فإن دوره الرئيسي في التطور هو توجيه التنميط الظهري في الجهاز العصبي المركزي. وعندما استنسخنا جين DR لأول مرة، وهو جين LMX1A، أدركنا أنه يُعبر عنه فقط في الجزء الظهري من الجهاز العصبي المركزي.

وفي الواقع، لا يقتصر تعبيره على الجزء الظهري من الجهاز العصبي المركزي أو الصفيحة السقفية التي تسمى ببساطة حول المخيخ؛ بل يُعبر عنه في الواقع في الجزء الظهري من الجهاز العصبي على طول الطول المحوري الكامل لجنين الفأر. وفي الحقيقة، يتم التعبير عنه على طول الطول المحوري لكل فقاري قمنا بدراسته حتى الآن.

وبما أنه يتم التعبير عنه ظهرياً في كل مكان، فقد استنتجنا أنه يجب أن يكون له دور ظهري في أجزاء أخرى من الجهاز العصبي المركزي. ولذلك، قضينا بالفعل وقتاً طويلاً في توصيف النمط الظاهري لفئران DR في النخاع الشوكي، لأن النخاع الشوكي في الواقع يمثل نظاماً نموذجياً أفضل بكثير لفهم تطور الجهاز العصبي المركزي من المخيخ، وذلك لأنه أقل تعقيداً من الناحية ثلاثية الأبعاد؛ فهو يحتوي على بنية ثلاثية الأبعاد أقل بكثير.

وبالانتقال إلى جنين الدجاج، تمكنا في الواقع من الاستفادة من عدد كبير من الكواشف لتحديد دور LMX1a في النخاع الشوكي. ومن النخاع الشوكي، عدنا مجدداً لدراسة المخيخ. وبصراحة، لا أعتقد أنه بدون تقنية الترسيم في الدجاج، كنا سنصل إلى فهم دقيق لوظيفة جين LMX1a؛ وقد كان فيكتور شيكو، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبري، هو الشخص الذي تولى هذه التجارب ونفذها بالفعل.

وقد كان هو الشخص الذي اكتشف بالفعل وظيفة جين LMX1 ودوره الأساسي في الجهاز العصبي المركزي باستخدام نظام التثقيب الكهربائي في أجنة الدجاج. وأعتقد بصراحة أننا لم نكن لنتمكن من تحقيق التقدم الذي أحرزناه لولا التثقيب الكهربائي في أجنة الدجاج. لذا، فإن التثقيب الكهربائي في أجنة الدجاج يمثل تقنية قيمة للغاية، حيث يمكنك التعبير المفرط عن الجينات بسرعة في الجهاز العصبي النامي للدجاج، والحصول على نتيجة بعد يومين أو ثلاثة أيام من الحضن، واستخلاص أنماط ظاهرية قابلة للتحليل.

إذا حاولت القيام بتعديلات جينية في الفئران لإنتاج حيوانات معدلة وراثياً، فإن ذلك سيستغرق عدة أشهر، وبالنسبة لعمليات تعطيل الجينات (knockouts) وما شابه، فإن الأمر سيستغرق سنة ونصف على الأقل. لذا، فإن نظام جنين الدجاج يُعد نظاماً قيماً للغاية لأنك تستطيع من خلاله التلاعب بالتعبير الجيني ومعرفة الأنماط الظاهرية بسرعة. فعلى سبيل المثال، عندما يتم التعبير المفرط عن LMX1 في الجهاز العصبي النامي للدجاج، وتحديداً في الحبل الشوكي النامي، تسبب ذلك في تحول الجزء الظهري بالكامل من الجهاز العصبي المركزي أو الحبل الشوكي إلى جزء ظهري من الجهاز العصبي المركزي أو ما يُعرف بالصفيحة السقفية (roof plate).

وبناءً على ذلك، أخبرنا هذا الأمر، بالاقتران مع مجموعة من التجارب الأخرى التي أجراها فيكتور، أن LMX1A بمفرده هو المسؤول عن توجيه برنامج التمايز الكامل للصفيحة السقفية. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن الصفيحة السقفية تمثل مركز إشارات حيوي في الجهاز العصبي النامي؛ فإذا لم تتوفر الصفيحة السقفية، فلن يتم إفراز المورفو جين (morphogen) الذي يوجه خلايا الأنبوب العصبي المجاورة للتحول إلى عصبونات حسية ظهرية.

وفي غياب تلك الإشارات، تدخل تلك الخلايا في حالة افتراضية لنوع خلوي وسيط. وبذلك تفقد معظم العصبونات الظهرية في الحبل الشوكي، وأيضاً في المخيخ النامي. ولا أعتقد أنه كان بإمكاننا التوصل إلى هذا الاستنتاج بسهولة باستخدام أي نظام آخر باستثناء الأنبوب العصبي للدجاج.

نحن مهتمون حقاً بتطور المخيخ، ليس فقط بسبب البيولوجيا الأساسية في أنظمة الفئران وكذلك في الدجاج، ولكن لأن البشر أيضاً يعانون من تشوهات في المخيخ. وهذه التشوهات في المخيخ البشري غير مفهومة بشكل كافٍ. لذا، وبالتعاون مع زميل، الدكتور William Dobbins، وهو أحد الخبراء العالميين في تشوهات الدماغ البشري، بدأنا معاً مشروعاً للبحث عن الجينات المسببة لتشوهات المخيخ لدى البشر.

ونحن نتبع عدة مقاربات في عملنا. وأحد أهم الإنجازات التي حققناها هو إنشاء قاعدة بيانات للحمض النووي وقاعدة بيانات سريرية، حيث استقطبنا أكثر من 500 مريض يعانون من تشوهات محددة في المخيخ البشري، وجمعنا صور الرنين المغناطيسي (MRI) وربطناها بعينات الحمض النووي، وذلك لاستخدامها كمورد للبحث عن الجينات؛ لأن اتضح أن التشوهات المخيخية البشرية ليست مصنفة بشكل جيد على الإطلاق. وبصراحة، أستطيع القول إنه من بين كل 10 صور أشعة نتلقاها من خلال دراساتنا، هناك صورة واحدة على الأقل تعود لتشوه لم يتم وصفه من قبل ولم يتم التعرف عليه فعلياً في السابق.

يُطلق على التشوه المخيخي البشري الأكثر شيوعاً اسم تشوه داندي ووكر (Dandy Walker malformation)، وهو التشوه الأكثر تعارفاً لدى الأطباء السريريين. ولكن اتضح أنه بمثابة تشخيص عام وغير دقيق في عالم المخيخ البشري؛ حيث يقوم العديد من الأطباء، أو حتى طبيب واحد، بتصنيف أي مخيخ غير طبيعي على أنه تشوه داندي ووكر.

وهكذا نقوم باستقطاب المرضى للمشاركة في دراستنا حول تشوه داندي-ووكر، ونكتشف من خلال ذلك أنواعاً مختلفة ومثيرة للاهتمام من التشوهات المخيخية. لذا، فنحن نستخدم هذا المورد للعثور على جينات جديدة مسؤولة عن تطور المخيخ، لأنني كعالمة في علم الأحياء النمائي، أرى أن البشر يمثلون تجربة طفرات جينية كبرى؛ فهم مصدر عظيم للعثور على جينات نمائية جديدة.

لذلك نحن نتبع عدة طرق للعثور على تلك الجينات. إحدى هذه الطرق هي أخذ الجينات التي حددناها في الفئران والتي لها أدوار في تطور المخيخ ومن ثم تسلسل تلك الجينات لدى البشر. وفي الواقع، لقد حددنا مؤخراً أول طفرة في جين LMX1A لدى البشر.

حتى الآن، كانت تطبيقات أبحاثنا في العلوم الأساسية في مجال الأبحاث السريرية محدودة للغاية. ولكن هذا الوضع يتغير بسرعة كبيرة؛ فمع اكتشافنا لجينات جديدة باستمرار، يمكننا تقديم معلومات جديدة حول الاستشارة الوراثية لعائلات الأطفال المصابين.

وبصراحة، هذا هو الجانب الذي أرى فيه التأثير الأكبر لأبحاثنا. لذا، فإن رؤيتي لهذا المجال خلال السنوات الخمس القادمة هي أنه سيتم اكتشاف المزيد من الجينات، سواء من خلال توصيف نماذج الفئران أو من خلال العمل على التشوهات المخيخية البشرية. وسنتمكن من معرفة المزيد عن مجموعة الجينات المشاركة في تطور المخيخ.

وبعد ذلك، سيكون الهدف هو معرفة كيفية تفاعل هذه الجينات مع بعضها البعض، وكيف تقود هذه الجينات البيولوجيا الفعلية؟ وكيف تقود جميع الأحداث الخلوية المختلفة التي تحدث لتكوين المخيخ؟ وأعتقد أن المخيخ يمثل نموذجاً مثالياً للجهاز العصبي المركزي بأكمله، لأنه صراحةً لا يوجد سوى خمسة إلى سبعة أنواع رئيسية من الخلايا العصبية.

لقد تم ترتيبها جميعاً بطريقة نمطية متنوعة. ونحن نتعلم المزيد والمزيد عن الجزيئات التي تقود التحديد والتمايز المبكر لتلك الخلايا السلفية. كما أننا نفهم بشكل متزايد كيفية تكاثر تلك الخلايا.

لذا أعتقد أن الأمر سيستغرق أكثر من خمس سنوات من الآن، ولكن في نهاية المطاف أرى أن المجال سيكون قادرًا على الانتقال من تطوير الأنبوب العصبي وصولاً إلى تطوير المخيخ لتحقيق الشكل الناضج للمخيخ. وأعتقد أنه نظرًا لأن المخيخ نظام بسيط نسبيًا، فإن لدينا أمل في اكتشاف الجزيئات والأحداث التطورية التي تدفع تكوين المخيخ بأكمله. وأعتقد أن هذا أمر مهم للغاية، ليس فقط لمجال التشخيص الوراثي لدى البشر، وهو مهم لمجال تطور المخيخ، ولكن أعتقد أننا سنطبق هذه الآليات أيضًا على أجزاء أخرى من الدماغ.

يعتبر المخيخ بنية بسيطة نسبيًا، ولكن العديد من الأحداث التطورية لن تقتصر على المخيخ وحده. لذا، يمكننا تطبيق ما تعلمناه من المخيخ على مناطق أخرى أكثر تعقيدًا في الجهاز العصبي المركزي مثل القشرة المخية، والاستفادة من الدروس والمسارات التي عرفناها لتحديد كيفية تطبيقها على بقية الدماغ.