Serebellar Desen Oluşumu anlama

Ben Kathy Millan. Chicago Üniversitesi'nde İnsan Genetiği Bölümü ve Nöroloji Bölümü'nde yardımcı profesörüm. Beyin gelişimi üzerine, özellikle de kafatasının arka kısmında yer alan beyin bölgesi olan serebellumun, yani beyinciğin gelişimi üzerine çalışıyorum.

Motor gelişimi üzerindeki rolüyle en çok tanınmaktadır, ancak birçok farklı süreçte yer aldığı ortaya çıkmıştır. Burası beynin gerçekten ilgi çekici bir bölümüdür. Patern oluşumu, biyolojik bir sistemde paternin gelişimidir. Bu terim, gelişim biyologlarının neredeyse her şeyi kastetmek için biraz esnek bir şekilde kullandığı kelimelerden biridir.

Ve bunun gerçekte ne anlama geldiği pek net değil. Bence her gelişim biyoloğu, bunun benim için ne anlama geldiğine dair size farklı bir versiyon verecektir. Anlamı şudur; beyin veya özellikle de serebellum, üst ve alt kısımları nasıl ayırt eder, sol ve sağ nasıl tanımlanır?

Yapının hangi bölümünün ne olacağına nasıl karar verilir? Ve bu kritik, temel erken embriyonik kararları verdikten sonra, Cerebellum olarak adlandırdığımız beynin o mükemmel şekilde desenlenmiş kısmını oluşturmak için tüm hücresel yapıyı nasıl bir araya getirirsiniz? Dolayısıyla, asıl olarak serebellar gelişimi ve gelişmekte olan serebellumdaki desen bilgisi ile ilgileniyoruz.

Serebellum, son derece düzenli bir yapıya sahip bir doku olduğu için; çok fazla hücre tabakasına ve çok fazla hücre tipine sahip değildir. Bu nedenle, beynin diğer bölgelerine kıyasla nispeten basit bir yapıdır.

Ayrıca, serebellumun çok spesifik bir fonksiyonu olduğu veya birçok fonksiyonundan birinin motor koordinasyon olduğu için; farelerde veya insanlarda serebellar anomaliler olduğunda, ortaya çıkan fenotiplerden biri motor koordinasyon bozukluğudur. Bu nedenle, fare genetiğinin yaklaşık yüz yılı boyunca, belirli bir ölçüde keşfedilmiş ve karakterize edilmiş çok sayıda spontan fare mutantı ortaya çıkmıştır; ancak aynı zamanda Jackson Labs'te, motor anomalileri olan ve sadece izole edilip raflarda bekleyen fareler de mevcuttu.

Ve sanırım bu farelerin büyük bir kısmı, yaklaşık 60 spontan suşun serebellar gelişimsel anomalileri olduğunu düşünüyorum. Bu kaynak, serebellar patern oluşumunu yönlendiren gelişimsel mekanizmaların neler olduğunu incelemek için gerçekten değerli ve zengin bir kaynaktır. Bu nedenle laboratuvarımın odaklandığı konulardan biri, İnsan Genom Projesi ve Fare Genom Projesi'nden elde ettiğimiz tüm araçları almak ve tüm bu spontan mutantlarda mutasyona uğramış genleri bulmak için bu moleküler reaktifleri kullanmaktır.

Bu mutantları bularak, genleri tespit etmek için fenotip merkezli bir yaklaşım benimsiyoruz. Yani, genleri rastgele seçip nakavt etmiyoruz; bunun yerine fenotipleri tespit edip ardından genleri buluyoruz; çünkü bu yaklaşımı kullanarak, özellikle ilgilenilen sistemle doğrudan ilgili olan genleri spesifik olarak tespit edebiliyoruz.

Böylece bizim laboratuvarımız ve diğer birçok laboratuvar, bu spontan fare mutantlarının bir kısmını klonladı. Fenotip odaklı bir yaklaşım benimsediğimiz için, bu spontan fare mutantları gerçekten ilgi çekici yeni biyolojik bulgulara yol açtı.

Ne tür genler bulacağımız konusunda herhangi bir ön yargıya sahip değiliz. Özellikle dal ho analoglarını veya kanal mutasyonlarını aramıyoruz. Fenotiplerin belirlediği genlere ulaşıyoruz.

Bu nedenle, biyoloji alanında pek çok yeni şey öğreniyoruz. Örneğin, laboratuvarımın üzerinde çalıştığı genlerden veya fenotiplerden biri, doktora sonrası araştırmacı olduğum dönemde bir meslektaşım olan Jim Linig ile birlikte çalıştığımız, Almanca'da fırıldak veya topaç gibi dönen anlamına gelen dre adlı bir fare mutantıydı. Bu fare mutantları ilk olarak 1929 yılında Almanya'da ortaya çıkmış ve Jackson Labs'de biriktirilmiştir.

Bu belirli lokusun birden fazla aleli bulunmaktadır ve serebellumun hatalı oluştuğu bilinmekteydi. Dolayısıyla tüm serebellar hücre tipleri mevcuttu, ancak serebellumun yapısı anormaldi. Orta kısım eksikti; orta kısma vermis denir.

Ve bu farelerde, yetişkin fenotipine yol açan erken bir embriyonik fenotip olduğunu keşfettik. Bu fenotip, limb homeo domain içeren kutu bir olarak bilinen LMX1A adlı gendeki bir mutasyonun sonucuydu. Aslında LMX1A geni, gelişimsel biyolojide oldukça ilginç ve önemli bir gendir çünkü merkezi sinir sisteminde neyin yukarıda veya neyin dorsal olduğunu tanımlayan en kritik genlerden biridir.

Bu nadir mutasyon olmasaydı, bu genin aslında ne işe yaradığını kimse bilmiyordu. Hatta bu gen, pankreastaki insülin üreten hücrelerde başka nedenlerle keşfedilmişti ve diğer araştırmacılar genin diyabetteki potansiyel rolünü inceliyordu.

Ancak gerçekte, LMX1A yaşlanmasının tek başına pankreas gelişiminde veya adacık hücresi gelişiminde hiçbir rolü olmadığı ortaya çıkmıştır. Aslında, gelişimdeki temel rolü, merkezi sinir sistemindeki dorsal örüntülemeyi yönlendirmektir. DR genini, yani LMX1A genini ilk klonladığımızda, bunun yalnızca merkezi sinir sisteminin dorsal kısmında eksprese edildiğini fark ettik.

Aslında, bu sadece merkezi sinir sisteminin dorsal kısmında veya serebellumun hemen çevresinde yer alan roof plate olarak adlandırılan bölgede eksprese edilmez. Aslında, fare embriyosunun tüm aksiyel uzunluğu boyunca merkezi sinir sisteminin dorsal kısmında eksprese edilir. Hatta, şimdiye kadar incelediğimiz her omurgalının tüm aksiyel uzunluğu boyunca eksprese edilmektedir.

Ve her yerde dorsalde eksprese edildiği için, merkezi sinir sisteminin diğer bölgelerinde de dorsalde bir rolü olması gerektiğini düşündük. Bu nedenle, DR farelerin omurilikteki fenotiplerini karakterize etmek için çok fazla zaman harcadık; çünkü omurilik, üç boyutlu olarak çok daha az karmaşık olduğu ve çok daha az üç boyutlu yapıya sahip olduğu için merkezi sinir sistemi gelişimini anlamak adına serebellumdan çok daha iyi bir model sistemdir.

Civciv modeline geçtiğimizde, LMX1A'nın omurilikteki rolünü belirlemek için çok sayıda reaktiften yararlanabildik. Ardından omurilikten tekrar beyinciğe geçiş yaptık. Açıkçası, civciv modelleme teknolojisi olmasaydı, LMX1A geninin ne işe getirdiğine dair gerçekten kapsamlı bir anlayışa sahip olabileceğimizi sanmıyorum; laboratuvarımdaki doktora sonrası araştırmacı Victor Chiko, bu deneyleri gerçekten sahiplenip ileriye taşıyan kişiydi.

Ve kendisi, civciv elektroporasyon sistemini kullanarak LMX1a geninin ne yaptığını ve merkezi sinir sistemindeki temel rolünü aslında çözen kişidir. Dürüst olmak gerekirse, civciv elektroporasyonu olmasaydı bu kadar çok ilerleme kaydedebileceğimizi sanmıyorum. Dolayısıyla civciv elektroporasyonu gerçekten değerli bir teknolojidir; çünkü gelişmekte olan civciv sinir sisteminde genleri hızla aşırı eksprese edebilir, iki veya üç günlük inkübasyon sonrası sonuç alabilir ve analiz edilebilir fenotipler elde edebilirsiniz.

Transgenik hayvanlar için farelerde gen manipülasyonları yapmaya çalışsaydınız bu birkaç ay sürerdi ve knockoutlar vb. için bu süre en az bir buçuk yıl alırdı. Bu nedenle civciv sistemi, gen ekspresyonunu manipüle edebildiğiniz ve fenotipleri hızla belirleyebildiğiniz için gerçekten değerli bir sistemdir. Örneğin, gelişmekte olan civciv sinir sisteminde, özellikle de gelişmekte olan omurilikte aşırı eksprese edildiğinde LMX1a, merkezi sinir sisteminin veya omuriliğin tüm dorsal kısmının, merkezi sinir sisteminin dorsal bir kısmı olan roof plate'e dönüşmesine neden olmuştur.

Victor'un gerçekleştirdiği diğer birçok deneyle birlikte bu durum bize şunu gösterdi: LMX1A tek başına, tavan plağının tüm farklılaşma programını yürütmekten sorumludur. Bu durum önemlidir çünkü tavan plağı, gelişmekte olan sinir sisteminde kritik bir sinyal merkezidir. Eğer bir tavan plağınız yoksa, komşu nöral tüp hücrelerine dorsal duyusal nöronlara dönüşmelerini söyleyecek morfogenleri salgılayamazsınız.

Ve bu sinyaller olmadan, bu hücreler ara bir hücre tipinin varsayılan durumuna geçerler. Böylece omurilikteki ve aslında gelişmekte olan serebellumdaki dorsal nöronların çoğunu kaybedersiniz. Tavuk nöral tüpü dışındaki herhangi bir sistemle bu sonuca bu kadar kolay varabileceğimizi sanmıyorum.

Sadece fare ve civciv sistemlerindeki temel biyoloji nedeniyle değil, aynı zamanda insanlarda da serebellar malformasyonlar görüldüğü için serebellar gelişime gerçekten ilgi duyuyoruz. Bu insan serebellar malformasyonları henüz yeterince anlaşılamamış durumdadır. Bu nedenle, insan beyin malformasyonları konusunda dünyanın önde gelen uzmanlarından biri olan meslektaşım Dr. William Dobbins ile iş birliği yaparak, insan serebellar malformasyon genlerini bulmaya yönelik bir proje başlattık.

Ve birkaç farklı yaklaşım benimsiyoruz. Yaptığımız en önemli işlerden biri, tanımlanmış insan serebellar malformasyonları olan 500'den fazla hastanın dahil edildiği bir DNA veri tabanı ve klinik veri tabanı oluşturmak oldu; burada MR görüntülerini topladık ve bunları DNA örnekleriyle ilişkilendirdik, böylece bu veri tabanını gen avcılığı için bir kaynak olarak kullanabiliyoruz çünkü insan serebellar malformasyonlarının hiç iyi kategorize edilmediği ortaya çıktı. Dürüst olmak gerekirse, çalışmalarımız kapsamında aldığımız her 10 taramanın en az birinin, daha önce hiç tanımlanmamış ve gerçekten fark edilmemiş bir malformasyon olduğunu söyleyebilirim.

En yaygın insan serebellar malformasyonuna Dandy-Walker malformasyonu denir ve klinisyenler tarafından en çok tanınan malformasyon budur. Ancak, bunun insan serebellar dünyasında bir nevi "genel geçer" bir tanı olduğu ortaya çıkmıştır. Birçok hekim, anormal bir serebellum gördüğünde bunu Dandy-Walker olarak sınıflandırmaktadır.

Böylece Dandy Walker malformasyonu çalışmamıza hastaları dahil ediyoruz ve her türlü farklı ve ilgi çekici serebellar malformasyonla karşılaşıyoruz. Bu kaynağı yeni serebellar gelişim genlerini bulmak için kullanıyoruz, çünkü bir gelişim biyoloğu olarak, insanların devasa bir mutajenez deneyi olduğunu düşünüyorum. Yeni gelişim genlerini bulmak için harika bir kaynaktırlar.

Bu nedenle, söz konusu genleri bulmak için birkaç farklı yaklaşım benimsiyoruz. Bu yaklaşımlardan biri, farelerde serebellar gelişimde rol oynadığını belirlediğimiz genleri seçmek ve bu genleri insanlarda dizilemekle ilgilidir. Nitekim, çok yakın zamanda ilk insan LMX1A mutasyonunu tanımladık.

Şu ana kadar temel bilim araştırmalarımızın klinik araştırmalara uygulamaları oldukça sınırlıydı. Ancak bu durum hızla değişiyor. Yeni genler keşfettikçe, etkilenen çocukların ailelerine yeni genetik danışmanlık bilgileri sunabiliyoruz.

Ve açıkçası, araştırmamızın en büyük etkisini burada görüyorum. Dolayısıyla, beş yıl sonrası için bu alana dair vizyonum, hem fare modellerinin karakterizasyonu hem de insan serebellar malformasyonları üzerine yapılan çalışmalar sayesinde çok daha fazla gen keşfinin gerçekleşmiş olmasıdır. Serebellar gelişimde rol oynayan gen setleri hakkında daha fazla bilgi sahibi olacağız.

Ardından hedef, bu genlerin birbirleriyle nasıl etkileşime girdiği ve bu genlerin gerçek biyolojiyi nasıl yönlendirdiği olacaktır. Bir serebellum oluşturmak için gerçekleşen tüm farklı hücresel olayları nasıl tetiklerler? Serebellumun, tüm merkezi sinir sistemi için gerçekten ideal bir model olduğunu düşünüyorum çünkü dürüst olmak gerekirse, yalnızca beş ila yedi temel nöronal hücre tipi bulunmaktadır.

Bunların tamamı çeşitli stereotipik şekillerde düzenlenmiştir. Bu öncül hücrelerin spesifikasyonunu ve erken diferansiyasyonunu yönlendiren moleküller hakkında giderek daha fazla bilgi ediniyoruz. Bu hücrelerin nasıl prolifere olduğunu giderek daha iyi anlıyoruz.

Bu yüzden, beş yıldan daha uzun bir süre gerektiğini düşünüyorum; ancak nihayetinde bu alanın, serebellumun olgun formuna ulaşmak için tüp gelişiminden başlayıp serebellum gelişimine kadar tüm süreci kapsayabileceğini öngörüyorum. Serebellum nispeten basit bir sistem olduğu için, tüm serebellumun oluşumunu yönlendiren molekülleri ve gelişimsel olayları gerçekten çözebileceğimize dair bir umudumuz var. Bunun sadece insanlardaki genetik tanı alanı ve serebellum gelişimi alanı için değil, aynı zamanda bu mekanizmaların beynin diğer kısımları için de uygulamaları olacağını düşünüyorum.

Serebellum nispeten basit bir yapıdır, ancak gelişimsel olayların çoğu sadece serebelluma özgü olmayacaktır. Serebellumdan öğrendiklerimizi, serebral korteks gibi merkezi sinir sisteminin diğer daha karmaşık bölgelerine taşıyabilir; öğrendiğimiz dersleri ve yolakları alarak bunların beynin geri kalanı için nasıl geçerli olduğunu çözebiliriz.