Гены двойного назначения
Нейроны с одинаковой генетической активностью могут выполнять разные функции.
Во всех клетках нашего тела гены одни и те же – конечно, если все они принадлежат одному и тому же индивидууму. Но мышечная клетка всё же отличается от клетки печени, и обе они отличаются от нейрона. Просто одни и те же гены в них работают по-разному. Конечно, есть среди них такие, которые активны и в печёночной клетке-гепатоците, и в нейроне, но многие гены будут неактивны в печени и активны в мозге, и наоборот. Причём дело не только в активности-неактивности, но и в том, насколько ген активен – очень слабо, слабо, сильно и т. д.
Активность генов можно оценить по уровню разных РНК. Чтобы генетическая информация заработала, её нужно перенести (транскрибировать) из ДНК в РНК; дальше РНК либо работают сами, либо служат матрицами для синтеза белков. Активный ген – это тот, на котором активно идёт транскрипция, на котором синтезируется много РНК. Современные методы позволяют читать РНК из одной-единственной клетки, и в результате мы получаем информацию не только о том, какие гены в принципе в этой клетке работают, но и о том, насколько активно они работают. Сумма всех РНК называется транскриптомом; клеточные молекулярные портреты, описанные по транскриптому, позволяют увидеть различить клетки, очень похожие друг на друга по внешнему и внутреннему строению (то есть по морфологии). Коль скоро активность генов в них отличается, они могут выполнять разные задачи, даже будучи внешне неотличимыми друг от друга. Подробный «одноклеточный» анализ уже дал сотни и тысячи новых видов и подвидов нервных клеток, хотя нужно уточнить, что в таких исследованиях учитывают не только активность генов по РНК, но и белковый состав, и эпигенетические метки, влияющие на работу генов, и многое другое.
Но действительно ли разница в генетической активности однозначно указывает на разные функции? Сотрудники Института биологического интеллекта Общества Макса Планка описывают в Nature пример того, что так бывает не всегда. Исследователи изучали нейроны зрительного центра в участке среднего мозга рыб, называемом оптическим тектумом (а у млекопитающих верхним двухолмием). В тектум сбегаются сигналы от сетчатки, и с точки зрения эволюции он довольно консервативен среди позвоночных. Примерно у 40 тысяч нейронов оптического тектума анализировали состав и количество разных матричных РНК (мРНК), то есть тех, которые несут информацию о белках. Эти 40 тыс. нейронов удалось распределить по 66 транскриптомным типам, или по 66 разновидностям, отличающимся по содержанию мРНК. Чтобы сделать полный анализ всех мРНК, клетки нужно было вытаскивать с их мест. Но зато так можно было определить, какие гены сильнее всего отличаются активностью в той или иной разновидности нейронов. Дальше уже эти особо выдающиеся мРНК использовали как маркеры, чтобы увидеть разновидности нейронов «по месту жительства», то есть там, где они расположены в исходном нервном центре, в оптическом тектуме. То есть прямо в тектуме исследователи запускали молекулярные аналитические реакции, которые показывали, где какой маркерной РНК больше, а где меньше.
Теперь можно было выяснять, чем именно заняты нейроны разных транскриптомных типов. Эксперименты ставили с личинками-мальками полосатого данио, тело которых прозрачно – поэтому, вводя специальные флуоресцентные метки в оптическую зону, можно было видеть, как работают разные нейроны в ответ на различные внешние стимулы. (Активность нервных клеток сопровождается перегруппировкой ионов кальция, и флуоресцентные метки мгновенно реагировали свечением на кальциевые потоки.) Как и ожидалось, нейроны одинаковых транскриптомных типов работали схожим образом. Но одновременно обнаружилось и нечто противоположное: некоторые нейроны, принадлежащие одному транскриптомному типу, реагировали на стимулы по-разному; более того, они отличались морфологией. То есть клетки со схожей активностью генов могут иначе себя вести и иначе выглядеть. Одни и те же гены, работая с одинаковой интенсивностью, могут обслуживать разные задачи.
Функциональные отличия нейронов со схожей генетической активностью были явно связаны с их расположением в зрительном центре. Можно предположить, что именно окружение и сыграло тут определяющую роль – то есть активность нейрона стала зависеть не только от того, что там происходит с генами, но также от нейронов-соседей, от сигналов, которые приходят от них, каких-то молекул и пр. Работа генов, по-видимому, такому влиянию среды вовсе не мешает. Кроме того, на матричных РНК ещё ведь нужно синтезировать белок, а на этом этапе есть свои механизмы регуляции: конкретная мРНК может стать на время неактивной, или сам синтез белка может идти на ней не так уж быстро, и т. д. Тут как раз и может проявляться влияние среды, корректирующее генетическую активность в смысле синтеза мРНК.
С другой стороны, вполне может быть так, что в ходе типирования нейронов какие-то особенности в составе мРНК были упущены, и там, где исследователи увидели один транскриптомный тип, их на самом деле два или больше. Есть ещё проблема индивидуального развития отдельного нейрона и мозга в целом. Так, на примере дрозофилы известно, что некоторые нейроны могут очень сильно отличаться по активности генов на раннем этапе собственного развития, когда они только формируют контакты с соседями и в целом учатся работать. Потом транскриптомные отличия исчезают, по активности генов нейроны становятся похожи друг на друга, но занимаются при этом разными вещами. Наконец, может быть так, что нейроны одинакового транскриптомного типа, но по-разному работающие, на самом деле представляют собой крайние точки в диапазоне одной и той же функции.
В целом же новые данные ещё раз говорят о том, что для классификации клеток не просто нужно больше данных. Нужно ещё определиться, по каким именно критериям мы будет разделять клеточные виды и подвиды, и как в эти критерии входят изменения, обусловленные стадией развития, или, например, происходящие из способности клеток переключаться между функциями, и пр. Всё это нужно иметь в виду, изучая клетки любой ткани и любого органа, но для мозга подобные вопросы, пожалуй, особенно актуальны.
