Ученые Швейцарской высшей технической школы Цюриха вырастили «в пробирке» модели человеческого мозга из биологических тканей. Им удалось раскрыть некоторые генные механизмы, определяющие клеточные судьбы, то есть то, как стволовые клетки превращаются в различные нервные ткани. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Мозговые органоиды представляют собой самоорганизующиеся биологические модели мозга, которые выращивают из эмбриональных клеток или плюрипотентных стволовых клеток. Делящиеся клетки формируют трехмерный нейроэпителий, который затем развивается с образованием аналогов различных областей человеческого мозга. Ключевую роль в этом сложном процессе играют сложные цепи регуляторов ДНК, которые включают в нужное время одни гены и выключают другие. Совокупность таких факторов для клеток одного типа ученые называют регуломами. Мозговые органоиды помогают успешно моделировать различные состояния и пороки развития мозга, включая микроцефалию, перивентрикулярную гетеротопию, аутизм и другие расстройства развития нервной системы. В то же время отсутствует полное описание генных регуляторных сетей (англ. gene regulatory networks, GRN), которые координирует развитие мозга у эмбрионов в нормальном или нарушенном состоянии. В новой работе ученые использовали множество методов, чтобы изучить активность генов в тысячах отдельных клетках мозговых органоидов в различные моменты времени. Сначала с помощью секвенирования был получен одноклеточный транскриптом, то есть совокупность активных генов в индивидуальных клетках органоида в течение всего времени его развития. Активные гены непосредственно связаны с так называемым доступным хроматином — веществом хромосом, доступным для молекул-регуляторов. Для выявления GNR, лежащих в основе развития органоидов головного мозга человека, исследователи разработали алгоритм Pando, который сначала ищет потенциально доступные для регуляции области ДНК, а затем прогнозирует сайты связывания транскрипционных факторов — короткие участки ДНК, которые связываются с белками, контролирующими активность определенных генов. На третьем этапе исследования ученые использовали технологию CRISPR-Cas9 для отключения 20 выявленных транскрипционных факторов, которые экспрессируются на различных стадиях развития органоидов. Было обнаружено, что некоторые факторы регулируют множество клеточных судеб. Исследователи сосредоточились на одном из таких факторов — GLI3, — который необходим для формирования нейронов коры мозга, и показали, что с ним связаны два отдельных регулома. Один определяет судьбу клеток конечного мозга (переднего отдела головного мозга, включающего большие полушария), а второй — контролирует развитие нейронов ганглионарного бугорка на более позднем этапе развития.