הבנת היווצרות דפוס cerebellar

אני קתי מילאן. אני פרופסורית עוזרת באוניברסיטה של שיקגו במחלקה לגנטיקה אנושית ובמחלקה לנוירולוגיה. אני חוקרת התפתחות המוח, ובאופן ספציפי אני עוסקת בהתפתחות המוח הקטן (Cerebellum), חלק המוח הנמצא כאן מאחור, בחלק האחורי של הגולגולת.

הוא מפורסם בעיקר בשל תפקידו בפיתוח המוטורי, אך מתברר שהוא מעורב בדברים רבים. זהו חלק מעניין מאוד של המוח. היווצרות תבנית (Pattern Formation) היא התפתחות של תבנית במערכת ביולוגית. זו אחת המילים שביולוגים התפתחותיים משתמשים בהן באופן מעט גמיש כדי להתייחס כמעט לכל דבר.

וזה לא באמת ברור למה הכוונה. אני חושב שכל ביולוג התפתחותי היה נותן לך גרסה שונה של מה שזה אומר עבורי. המשמעות היא איך המוח, ובמיוחד ה-cerebellum, יודע מהו למעלה ומהו למטה, איך מגדירים שמאל וימין?

כיצד נקבע איזה חלק של המבנה יהיה איזה חלק? ולאחר שהתקבלו ההחלטות העובריות המוקדמות, הקריטיות והבסיסיות הללו, כיצד מחברים את כל המבנה התאי כדי ליצור את החלק בעל התבניות המדויקות של המוח שאנו מכנים Cerebellum? לכן, אנו מעוניינים מאוד בהתפתחות ה-cerebellum ובמידע על התבניות ב-cerebellum המתפתח.

מכיוון שהמוח הקטן הוא רקמה בעלת תבנית מדויקת מאוד. אין בו הרבה שכבות תאים ואין בו הרבה סוגי תאים. לכן, ביחס לחלקים אחרים של המוח, הוא מהווה מבנה פשוט יחסית.

וגם מכיוון שלמוזוליון יש תפקוד ספציפי מאוד, או שאחד מתפקודים רבים הוא קואורדינציה מוטורית. כאשר לעכברים או לבני אדם יש הפרעות במוזוליון, אחד הפנוטיפים שנוצרים הוא חוסר קואורדינציה מוטורית. לכן, במהלך כמאה שנה של גנטיקה של עכברים, התגלו מספר מוטנטים ספונטניים של עכברים שאופיינו במידה מסוימת, אך היו גם כאלו שבודדו ונשמרו במדפי המעבדה ב-Jackson Labs, שהם עכברים עם הפרעות מוטוריות.

ומספר רב מהעכברים הללו, אני חושב שישנם כ-60 זנים ספונטניים, סובלים מהפרעות התפתחותיות בדגיאלום. ומקור זה הוא משאב עשיר ובעל ערך רב לבחינת המנגנונים ההתפתחותיים המניעים את עיצוב התבנית של הדגיאלום. כך, אחד הדברים שהמעבדה שלי מתמקדת בהם הוא לקחת את כל הכלים העומדים לרשותנו מפרויקט הגנום האנושי ומפרויקט הגנום של העכבר, ולהשתמש בריאגנטים מולקולריים אלו כדי לאתר את הגנים המוטריים בכל אותם מוטנטים ספונטניים.

ובעל ידי מציאת מוטנטים אלה, אנו נוקטים בגישה ממוקדת-פנוטיפ למציאת גנים. כלומר, איננו בוחרים גנים באופן אקראי ומבצעים להם knockout. אנו מוצאים פנוטיפים ומאתרים את הגנים, כיוון שבאמצעות גישה זו, אנו מוצאים באופן ספציפי גנים הרלוונטיים במיוחד למערכת הנבדקת.

לכן, המעבדה שלנו ומעבדות רבות אחרות שיבטו מספר מוטנטים ספונטניים אלו של עכברים. מוטנטים ספונטניים אלו של עכברים הובילו לביולוגיה חדשה ומעניינת מאוד, מכיוון שאנו נוקטים בגישה זו המונעת על ידי הפנוטיפ.

איננו יוצאים מנקודת הנחה מוקדמת לגבי סוג הגנים שנמצא. איננו מחפשים באופן ספציפי אנלוגים של dal ho או מוטציות בתעלות. אנו מגיעים לגנים שהפנוטיפים מכתיבים.

ובשל כך, אנו לומדים הרבה ביולוגיה חדשה. כך למשל, אחד הגנים או אחת הפנוטיפים שעליהם עבדה המעבדה שלי, וביחד עם קולגה אחר, ג'ים ליניג, כאשר הייתי פוסט-דוקטורנט, עבדנו על עכבר מוטנטי הנקרא dre, שפירושו בגרמנית סבב או סיבוב כמו סביבון. עכברים מוטנטים אלו הופיעו לראשונה בשנת 1929 בגרמניה ונצברו במעבדות ג'קסון (Jackson Labs).

קיימים אללים מרובים של לוקוס ספציפי זה, והיה ידוע כי המוחון נוצר באופן שגוי. לכן, כל סוגי התאים של המוחון היו נוכחים, אך תבנית המוחון הייתה לא תקינה. בחלק המרכזי היה חסר רכיב, שנקרא הוורמיס (vermis).

וגילינו כי היה פנוטיפ עוברי מוקדם בעכברים אלה שהוביל לפנוטיפ של הבוגר. הפנוטיפ היה תוצאה של מוטציה בגן הנקרא LMX1A, שפירושו limb homeodomain containing box 1. גן ה-LMX1A הוא למעשה גן מעניין וחשוב מאוד בביולוגיה התפתחותית, מכיוון שהוא אחד הגנים הקריטיים ביותר בהגדרת מהו החלק העליון במערכת העצבים המרכזית, או מהו הצד הגבי (dorsal).

ובלבד שלא הייתה המוטציה נדירה זו, איש לא ידע למעשה מהו תפקידו של גן זה. למעשה, הוא התגלה מסיבות אחרות בתאים מייצרי אינסולין בלבלב, ואנשים אחרים חקרו אותו בשל תפקידו הפוטנציאלי בסוכרת.

אך למעשה, מתברר כי ל-LMX1A לבדו אין תפקיד בהתפתחות הלבלב או בהתפתחות תאי האיים. למעשה, תפקידו העיקרי בהתפתחות הוא הנחיית הדפוס הגבי (dorsal patterning) במערכת העצבים המרכזית. כאשר שלבנו לראשונה את הגן DR, הגן LMX1A, הבנו שהוא מובע רק בחלק הגבי של מערכת העצבים המרכזית.

ולמעשה, זה לא מבוטא רק בחלק הגבי של מערכת העצבים המרכזית או בלוח הגג (roof plate), המכונה כך באזור המוזחים. זה למעשה מבוטא בחלק הגבי של מערכת העצבים לאורך כל האורך הציר של עובר העכבר. ולמעשה, זה מבוטא לאורך כל האורך הציר של כל חולית שבדקנו עד כה.

ומכיוון שהוא מבוטא גבית בכל מקום, השערנו כי חייב להיות לו תפקיד גבית בחלקים אחרים של מערכת העצבים המרכזית. לכן, הקדשנו זמן רב לאפיון הפנוטיפ של עכברי ה-DR בחוט השדרה, כיוון שחוט השדרה מהווה למעשה מערכת מודל טובה הרבה יותר להבנת התפתחות ה-CNS מאשר המוח הקטן, מכיוון שהוא הרבה פחות מורכב מבחינה תלת-ממדית. יש לו הרבה פחות מבנה תלת-ממדי.

במעבר לאפרוח, יכולנו למעשה לנצל מספר רב של ריאגנטים כדי להבין מהו תפקידו של LMX1A בחוט השדרה. ומחוט השדרה, חזרנו לדגיון. ובכנות, אני לא חושב שבלי הטכנולוגיה של החלפת רקמות באפרוח, היינו מגיעים להבנה מעמיקה של תפקיד הגן LMX1A; פוסט-דוקטור במעבדה שלי, ויקטור צ'יקו, היה האדם שלקח את הניסויים הללו והוביל אותם קדימה.

והוא היה האדם שבאמת גילה מה תפקידו של הגן LMX1, ואת תפקידו המרכזי במערכת העצבים המרכזית באמצעות שיטת האלקטרופורציה באפרוח. ובכנות, אני לא חושב שהיינו יכולים להשיג התקדמות גדולה כל כך ללא אלקטרופורציה באפרוח. לכן, אלקטרופורציה באפרוח היא טכנולוגיה בעלת ערך רב, מכיוון שניתן לבצע ביטוי יתר של גנים במהירות במערכת העצבים המתרקחת של האפרוח, לקבל תוצאה לאחר יומיים או שלושה של דגירה ולהגיע לפנוטיפים הניתנים לניתוח.

אם הייתם מנסים לבצע מניפולציות גנטיות בעכברים ליצירת בעלי חיים טרנסגניים, הדבר היה גוזל מספר חודשים, ועבור נוק-אאוטים (knockouts) וכדומה, זה היה לוקח לפחות שנה וחצי. לכן, מערכת האפרוח היא מערכת בעלת ערך רב, מכיוון שניתן לבצע מניפולציות בביטוי גנים ולגלות פנוטיפים במהירות. כך, כאשר LMX1B בוטה-ביטוי (overexpressed) במערכת העצבים המתפתחת של האפרוח, ובמיוחד בחוט השדרה המתפתח, הדבר גרם לכל החלק הגבי של מערכת העצבים המרכזית או של חוט השדרה להפוך לחלק גבי של מערכת העצבים המרכזית או לרבדית הגג (roof plate).

ובכך, מה שלמדנו בשילוב עם שורה של ניסויים אחרים שביקטור ביצע, הוא ש-LMX1A כשלעצמו אחראי להנעת כל תוכנית הדיפרנציאציה של לוח הגג (roof plate). וזה חשוב מכיוון שלוח הגג הוא מרכז איתות קריטי במערכת העצבים המתפתחת. אם אין לוח גג, לא יופרשו מורפוגנים שיורה לתאי צינור העצבים הסמוכים להפוך לנוירונים תחושתיים גביים.

ובלעדי אותם אותות, תאים אלה עוברים למצב ברירת מחדל של סוג תא בינוני. וכך מאבדים את רוב הנוירונים הדורסליים בחוט השדרה, אך למעשה גם במוחון המתפתח. אני לא חושב שהיינו יכולים להגיע למסקנה זו בקלות באמצעות כל מערכת אחרת מלבד צינור העצבים של העוף.

אנו מעוניינים מאוד בהתפתחות המוח הקטן, לא רק בגלל הביולוגיה הבסיסית במערכות של עכברים וגם של אפרוחים, אלא גם מכיוון שבבני אדם קיימות מומים של המוח הקטן. מומים אלו בבני אדם אינם מובנים כיום כראוי. לכן, בשיתוף פעולה עם עמיתי, ד"ר William Dobbins, אחד המומחים בעולם למומי מוח אנושיים, הגשנו יחד פרויקט למציאת גנים הגורמים למומים של המוח הקטן בבני אדם.

אנו נוקטים במספר גישות. אחד הדברים המשמעותיים ביותר שעשינו הוא בניית מאגר נתונים של DNA ומאגר נתונים קליני, שדרכם גייסנו מעל 500 מטופלים עם מומים מוגדרים של המוח הקטן (cerebellar malformations) בבני אדם, ואספנו תצלומי MRI אשר קושרו לדגימות DNA, כדי שנוכל להשתמש בכך כמשאב לחיפוש גנים; זאת כיוון שמתברר שמומים של המוח הקטן בבני אדם אינם מסווגים כלל באופן מספק. ובכנות, הייתי אומר שמתוך כל 10 סריקות שאנו מקבלים במסגרת מחקרינו, לפחות אחת מהן היא מום שמעולם לא תואר ולא זוהה באמת בעבר.

המומה השכיחה ביותר של המוח הקטן באדם נקראת מומה דנדי-ווקר (Dandy Walker malformation), וזוהי המומה המוכרת ביותר על ידי קלינאים. אך מתברר כי זוהי מעין אבחנה גנרית של עולם המוח הקטן האנושי. כל רופא, או רופאים רבים, כאשר הם רואים מוח קטן חריג, מסווגים אותו כדנדי-ווקר.

כך אנו מגייסים מטופלים למחקר שלנו על מומים מסוג Dandy Walker, ואנו מוצאים סוגים שונים ומעניינים של מומים במוח הקטן. לכן, אנו משתמשים במשאב זה כדי למצוא גנים חדשים המעורבים בהתפתחות המוח הקטן, כיוון כביולוג של התפתחות, אני סבור שבני אדם מהווים ניסוי מוטגנזה גדול אחד. הם מהווים מקור נהדר למציאת גנים התפתחותיים חדשים.

אנו נוקטים במספר גישות כדי למצוא את הגנים הללו. אחת מהגישות היא לזהות גנים שגילינו בעכבר שיש להם תפקידים בהתפתחות המוחדבב (cerebellum) ולבצע ריצוף של גנים אלו בבני אדם. למעשה, לאחרונה זיהינו את המוטציה הראשונה בבני אדם ב-LMX1A.

עד כה, היישומים של מחקרי הבסיס שלנו במחקר הקליני היו מוגבלים מאוד. אך הדבר משתנה במהירות. ככל שאנו מגלים גנים חדשים, אנו יכולים לספק מידע חדש לייעוץ גנטי למשפחות של ילדים מושפעים.

ובכנות, שם אני רואה את ההשפעה הגדולה ביותר של המחקר שלנו. לכן, החזון שלי לתחום בעוד חמש שנים הוא שיתגלו הרבה יותר גנים, הן באמצעות אפיון של מודלים בעכברים והן באמצעות עבודה על מומים של המוח הקטן בבני אדם. אנחנו נדע יותר על קבוצת הגנים המעורבים בהתפתחות המוח הקטן.

ואז המטרה תצטרך להיות להבין כיצד הגנים הללו מקיימים אינטראקציה זה עם זה, וכיצד הגנים הללו מניעים את הביולוגיה בפועל; כיצד הם מניעים את כל האירועים התאיים השונים המתרחשים כדי ליצור מוח קטן (cerebellum)? ואני חושב שהמוח הקטן הוא באמת מודל אידיאלי לכל מערכת העצבים המרכזית, כי למעשה, ישנם רק חמישה עד שבעה סוגים עיקריים של תאי עצב.

כולם מסודרים באופן סטריאוטייפי מגוון. אנו לומדים יותר ויותר על המולקולות המניעות את ההגדרה ואת הדיפרנציאציה המוקדמת של אותם תאי מקור. אנו מבינים יותר ויותר כיצד תאים אלו מתרבים.

לכן אני מעריך שזה ייקח יותר מחמש שנים מעתה, אך בסופו של דבר אני רואה את התחום מסוגל לעקוב אחרי התפתחות הפורה (tube development) לאורך כל התפתחות הדרגית של הדרגש (cerebellar development) כדי להגיע לצורה הבשלה של הדרגש. ואני חושב שמאחר שהדרגש הוא מערכת פשוטה יחסית, יש לנו תקווה להבין בפועל את המולקולות ואת אירועי ההתפתחות המניעים את ההיווצרות של כל הדרגש. ואני חושב שזה באמת חשוב, לא רק עבור תחום האבחון הגנטי בבני אדם, וזה חשוב עבור תחום התפתחות הדרגש, אלא אני חושב שיהיו לנו יישומים של מנגנונים אלו גם לחלקים אחרים של המוח.

המוחון הוא מבנה פשוט יחסית, אך רבים מאירועי ההתפתחות אינם ייחודיים לו. אנו יכולים להשליך את מה שלמדנו מהמוחון על אזורים מורכבים יותר של מערכת העצבים המרכזית, כגון קליפת המוח, ולקחת את הלקחים ואת המסלולים שלמדנו כדי להבין כיצד הם חלים על שאר חלקי המוח.