НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    КАРТА САЙТА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ

09.06.2017

С возрастом у рыб теряется способность к формированию некоторых типов нервных клеток

Исследователи из Германии и Австралии показали, что с возрастом у рыбок данио в мозжечке снижается количество нейрональных стволовых клеток, а также сужается спектр их возможных дифференцировок. Поэтому у взрослых рыб, в отличие от молодых, не все типы нервных клеток способны восстанавливать свою численность после повреждения. Основным источником новых клеток в мозжечке оказались нейроэпителиальные клетки, а не клетки радиальной глии, как считалось ранее.

Рис. 1. Схема строения мозжечка рыбки данио (Danio rerio). ML — молекулярный слой (molecular layer) из нервных волокон и звездчатых клеток (S, stellate cells); PL — ганглионарный слой (Purkinje cell layer), содержащий клетки Пуркинье (PN, Purkinje neurons), клетки Бергмановской глии (BG, Bergmann glia) и эвридендроидные клетки (E, eurydendroid cells); GL — гранулярный слой (granule cell layer), содержащий клетки-зерна (GC, granule cells) и клетки Гольджи (G, Golgi cells). Stem cell niche — положение популяций стволовых клеток (в мозжечке они расположены в стенках четвертого желудочка); Injury — удаляемый в ходе операции фрагмент ткани; Mossy fibre — моховидное волокно; Climbing fibre — лиановидное (лазающее) волокно; Output — волокна, по которым сигналы из мозжечка передаются в другие отделы нервной системы (cм. Гистологическое строение мозжечка). Рисунок из обсуждаемой статьи в Development
Рис. 1. Схема строения мозжечка рыбки данио (Danio rerio). ML — молекулярный слой (molecular layer) из нервных волокон и звездчатых клеток (S, stellate cells); PL — ганглионарный слой (Purkinje cell layer), содержащий клетки Пуркинье (PN, Purkinje neurons), клетки Бергмановской глии (BG, Bergmann glia) и эвридендроидные клетки (E, eurydendroid cells); GL — гранулярный слой (granule cell layer), содержащий клетки-зерна (GC, granule cells) и клетки Гольджи (G, Golgi cells). Stem cell niche — положение популяций стволовых клеток (в мозжечке они расположены в стенках четвертого желудочка); Injury — удаляемый в ходе операции фрагмент ткани; Mossy fibre — моховидное волокно; Climbing fibre — лиановидное (лазающее) волокно; Output — волокна, по которым сигналы из мозжечка передаются в другие отделы нервной системы (cм. Гистологическое строение мозжечка). Рисунок из обсуждаемой статьи в Development

Нейрогенез (рис. 2) — это процесс деления, миграции и дифференцировки клеток-предшественников нейронов и нейроглии. Особенно активно нейрогенез идет во время эмбрионального развития. Под действием ряда сигнальных веществ, выделяемых средним зародышевым листком — мезодермой — часть клеток наружнего зародышевого листка — эктодермы — преобразуются в нейроэпителиальные клетки (см. Neuroepithelial cell); они располагаются в основном в стенках желудочков развивающегося мозга, в так называемой субвентрикулярной зоне.

Рис. 2. Схема нейрогенеза у позвоночных. Аббревиатуры указывают на маркеры — вещества, характерные для конкретных типов клеток и помогающие в их обнаружении в ходе гистологических исследований. Стрелками обозначены пути дифференцировки. Grey mater — серое вещество, White matter — белое вещество, Subventricular zone — субвентрикулярная зона, Ventricular surface — поверхности стенки желудочка мозга. Ventricular zone — вентрикулярная зона, Neuron — нейрон, Neural stem cell — нейрональная стволовая клетка, Neuroepithelial cell — нейроэпителиальная клетка, Radial glial cell — клетка радиальной глии, Ependymal cell — клетка эпендимы, Subventricular zone astrocyte — астроцит субвентрикулярной зоны (также называют клеткой 2 типа), Type 3 cell — нейробласт (также называют клеткой 3 типа), Olygodendrocyte precursor — клетка-предшественник олигодендроцита, Olygodendrocyte — олигодендроцит
Рис. 2. Схема нейрогенеза у позвоночных. Аббревиатуры указывают на маркеры — вещества, характерные для конкретных типов клеток и помогающие в их обнаружении в ходе гистологических исследований. Стрелками обозначены пути дифференцировки. Grey mater — серое вещество, White matter — белое вещество, Subventricular zone — субвентрикулярная зона, Ventricular surface — поверхности стенки желудочка мозга. Ventricular zone — вентрикулярная зона, Neuron — нейрон, Neural stem cell — нейрональная стволовая клетка, Neuroepithelial cell — нейроэпителиальная клетка, Radial glial cell — клетка радиальной глии, Ependymal cell — клетка эпендимы, Subventricular zone astrocyte — астроцит субвентрикулярной зоны (также называют клеткой 2 типа), Type 3 cell — нейробласт (также называют клеткой 3 типа), Olygodendrocyte precursor — клетка-предшественник олигодендроцита, Olygodendrocyte — олигодендроцит

Часть популяции нейроэпителиальных клеток в ходе дальнейшего развития образует нейробласты и глиобласты (см. Glioblast), а часть остается в покоящемся состоянии, то есть не делится. Глиобласты дают начало глиальным элементам нервной системы: астроцитам, олигодендроцитам и эпендимным клеткам. Нейробласты дифференцируются в нейроны различных типов, которые затем мигрируют к месту своей «службы».

В описываемой работе, а также в ряде других научных статей по теме нейрогенеза можно встретить термины «клетки-предшественники» (progenitors, progenitor cells) и «нейрональные стволовые клетки» (neural stem cells). Первое понятие имеет более узкое значение: как правило, под клетками-предшественниками понимают такие, которые способны дифференцироваться в очень ограниченное (иногда до одного) число типов клеток. Фраза «стволовые клетки» в общем случае предполагает, что описываемые ей структуры способны делиться много раз и тем самым поддерживать свою численность на определенном уровне. Это верно и для нейрональных стволовых клеток. Последние, как и любые другие стволовые, мультипотентны, то есть могут давать начало большому количеству типов клеток. Тем не менее клетки-предшественники нейронов и нейроглии фактически входят во множество нейрональных стволовых клеток. Так, в обсуждаемой статье во многих случаях под выражением «neural stem cells» понимают именно предшественники — нейроэпителиальные клетки и клетки радиальной глии (о последней речь пойдет ниже). Название «нейрональные стволовые клетки», хотя и встречается во многих переводах на русский язык термина neural stem cell , может ввести читателя в заблуждение. Важно помнить, что из этих клеток в конечном счете образуются не только нейроны, но и клетки нейроглии.

Новые нейроны у позвоночных образуются не только во время эмбрионального развития, но и после рождения, и в зрелом возрасте. Этот процесс называют нейрогенезом у взрослых (см. Adult neurogenesis). На данный момент о нем известно не слишком много, так как этот феномен открыли только в 1962 году на примере крыс, которым повреждали ткань мозга (см. Joseph Altman, 1962. Are New Neurons Formed in the Brains of Adult Mammals?). Сообщение о том, что в головном мозге грызунов обнаружены свидетельства появления новых нейронов, научное сообщество в целом проигнорировало, посчитав недостаточно убедительным. Нейрогенез у взрослых стали активно изучать только в начале 1980-х, когда накопились неопровержимые доказательства его существования у млекопитающих и птиц (см. S. A. Bayer, 1982. Changes in the total number of dentate granule cells in juvenile and adult rats: A correlated volumetric and 3H-thymidine autoradiographic study и S. A Goldman and F. Nottebohm, 1983. Neuronal production, migration, and differentiation in a vocal control nucleus of the adult female canary brain). (Подробнее о нейрогенезе, в частности о его протекании у взрослых особей позвоночных, можно прочесть в обзоре «Биомолекулы» Всё, что вы всегда хотели знать о взрослом нейрогенезе, но боялись спросить.)

Во всех известных случаях нейрогенеза у взрослых образуются нейроны только некоторых, не всех, типов. Способность же к полной регенерации мозга, с восстановлением всех характерных структур и типов клеток, пока не была научно доказана ни для одного позвоночного животного. Известно, что некоторые представители низших позвоночных способны восстанавливать различные ткани и части тела после их повреждения (см. Специализация или регенерация).

Авторы обсуждаемой работы выбрали в качестве объекта изучения данио-рерио. Способность этих рыб к регенерации достаточно высока. Существует предположение, что они способны восстанавливать нервные клетки всех типов. Главной целью нового исследования было проверить, так ли это. Для эксперимента был выбран мозжечок — отдел головного мозга, отвечающий за координацию движений, регуляцию равновесия и мышечного тонуса. Подобно переднему мозгу, он имеет два полушария. У позвоночных, включая костистых рыб, к которым относится данио-рерио, в мозжечке выделяют три различных по строению и функциям слоя: гранулярный слой (см. Granule cell), слой клеток Пуркинье (ганглионарный слой) и молекулярный слой (рис. 1).

Ранее было показано, что в мозжечке данио-рерио имеются два основных типа клеток-предшественников: нейроэпителиальные клетки и клетки радиальной глии. Первые лежат в верхней части ромбической губы (см. Rhombic lip) и дают начало клеткам-зернам гранулярного слоя, а вторые расположены в вентрикулярной зоне (см. Ventricular zone) и способны образовывать клетки Пуркинье, звездчатые клетки (Stellate cells), клетки Гольджи (Golgi cells) и эвридендроидные клетки. Считается, что в поддержании популяции нервных клеток мозжечка у взрослых рыб основную роль играют клетки радиальной глии. Однако в новом исследовании на рыбках данио это положение не подтвердилось. Оказалось, что популяция радиальной глии с возрастом истощается: число клеток в ней уменьшается, и многие из них становятся «молчащими», то есть перестают делиться. Напротив, нейроэпителиальные клетки у данио-рерио, как выяснилось, активны в течение всей жизни.

В оригинальной статье используются термины «neuroepithelial like-cells» и «radial glia-like cells». Авторы указывают, что эти две популяции клеток-предшественников по свойствам (в частности, по своим веществам-маркерам) подобны нейроэпителиальным клеткам и клеткам радиальной глии млекопитающих. Однако ставить знак равенства между похожими структурами у столь эволюционно далеких групп организмов преждевременно. Тем не менее для избавления от громоздких конструкций типа «клетки данио-рерио, подобные радиальной глии млекопитающих» мы далее используем термины «нейроэпителиальные клетки» и «клетки радиальной глии» и применительно к рыбам.

Исследователи решили проверить, какой из двух указанных типов клеток-предшественников в большей степени задействован в восстановлении нервных тканей после их повреждения. Для этого они вырезали у взрослых (возраст на момент операции — 3 месяца) особей данио-рерио по фрагменту нервной ткани таким образом, чтобы в него вошли все три слоя дифференцированных клеток. При этом участки, где, как было известно из предшествовавших работ, сконцентрированы клетки-предшественники, не трогали.

Животным под анестезией вскрывали череп, а затем аккуратно удаляли из левого или правого полушария мозжечка фрагмент нервной ткани, составляющий в среднем 29% от объема мозжечка. В качестве контроля использовали рыб, которым таким же образом вскрывали череп, но никаких участков мозга не удаляли. В последующие месяцы ученые следили за клеточными делениями, миграциями и дифференцировками, наблюдавшимися в ходе регенерации удаленной части мозга.

В первые дни после операции у особей экспериментальной и контрольной групп наблюдалась в первую очередь регенерация тканей кожи и черепа. Кроме того, из-за удаления части мозжечка менялась двигательная активность данио. У рыб экспериментальной группы поначалу проявлялось беспорядочное быстрое плавание, заметно отличающееся от естественного для этого вида поведения. Однако уже через четыре недели их движения приходили в норму.

Между 7-м и 14-м днями после операции число размножающихся нейроэпителиальных клеток увеличивалось в одиннадцать раз, а делящихся клеток радиальной глии — в пять раз. Однако общее число клеток радиальной глии оставалось низким: уже через неделю после операции они частично дифференцировались в клетки нервной ткани, а через месяц после удаления участка мозжечка их деление полностью прекращалось. Нейроэпителиальные клетки, напротив, продолжали делиться и на второй месяц. Таким образом, обе популяции клеток-предшественников активизируются после повреждения мозжечка, но относительный вклад клеток радиальной глии в общее восстановление мозжечка существенно меньше, чем у нейроэпителиальных клеток.

Через месяц гранулярный слой в значительной степени восстанавливался. А вот появление новых клеток в ганглионарном и молекулярном слоях шло значительно медленнее: даже через 3 и 6 месяцев отличие по числу нейронов и клеток глии с соответствующими молекулами-маркерами от рыб, для которых с момента операции прошло три дня, не было статистически достоверным. И даже через 12 месяцев эти два слоя мозжечка в месте повреждения были всё еще заметно обеднены клетками по сравнению с нормой.

Через три месяца на месте повреждения обнаруживалось множество новых клеток-зерен, очень небольшое количество новых клеток Гольджи и немного глиальных элементов: олигодендроцитов и клеток Бергмановской глии. При этом не регистрировалось ни одной новой клетки Пуркинье. Не появилось и новых эвридендроидных клеток.

Исследователи предположили, что столь слабая регенерация нервной ткани может быть результатом слишком сильного повреждения мозжечка, приведшего к замедленному восстановлению популяции недостающих клеток. Поэтому они провели дополнительный эксперимент, в рамках которого мозжечок кололи иглой, в результате чего размер поврежденного участка был совсем небольшим. Тем не менее через 4 недели после такой операции новых клеток Пуркинье не появились. Такой результат означал, что мозг взрослых рыб в принципе не обладает способностью восстанавливать число нейронов этого типа.

Аналогичные описанным выше процедуры по удалению значительной части мозжечка у молодых данио (возраст на момент операции — 1 месяц) дали совершенно иные результаты. Оказалось, что вплоть до одномесячного возраста данио способны восстанавливать абсолютно все типы клеток мозжечка. Через три месяца после операции, проведенной сходным образом, что и для взрослых рыб, у молодых особей были обнаружены новые клетки Пуркинье.

Почему у молоди восстанавливаются все типы нервных клеток, а у взрослых — нет? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые проследили, как меняется работа стволовых клеток мозга в индивидуальном развитии рыб. Нужно было понять, какие типы клеток происходят от клеток радиальной глии и нейроэпителиальных клеток у рыбок разного возраста. Это установили поиском молекул-маркеров, характерных для конкретных типов клеток-предшественников, нейронов и нейроглии. Как выяснилось, у малька любые клетки-предшественники дают начало любым типам нервных и глиальных клеток во всех трех слоях мозжечка. С возрастом эта способность пропадает: клетки радиальной глии у рыб старше 1 месяца в целом малоактивны и способны образовывать только клетки Гольджи, а нейроэпителиальные клетки с того же времени служат для поддержания популяции клеток-зерен (рис. 3). Это объясняет, почему у половозрелых данио-рерио не восстанавливаются клетки Пуркинье, а регенерация большинства типов клеток нервной ткани, кроме клеток-зерен, сильно ограничена.

Рис. 3. Схема, показывающая отличие возможностей нейрогенеза в мозжечке молодых (возраст 1 месяц, верхняя строка) и взрослых (3 месяца, нижняя выделенная серым строка) особей данио-рерио. Левый столбец — радиальная глия (VZ-SPC — клетки вентрикулярной зоны), правый столбец — нейроэпителиальные клетки (NE-SPC — нейроэпителиальные клетки). Homeostasis — поддержание популяции в норме (без повреждений мозга), Injury — повреждение мозжечка. Круговыми стрелками показана интенсивность размножения компонентов данной популяции: чем крупнее стрелка, тем активнее деление клеток. N, N1, N2, N3 — различные типы нейронов
Рис. 3. Схема, показывающая отличие возможностей нейрогенеза в мозжечке молодых (возраст 1 месяц, верхняя строка) и взрослых (3 месяца, нижняя выделенная серым строка) особей данио-рерио. Левый столбец — радиальная глия (VZ-SPC — клетки вентрикулярной зоны), правый столбец — нейроэпителиальные клетки (NE-SPC — нейроэпителиальные клетки). Homeostasis — поддержание популяции в норме (без повреждений мозга), Injury — повреждение мозжечка. Круговыми стрелками показана интенсивность размножения компонентов данной популяции: чем крупнее стрелка, тем активнее деление клеток. N, N1, N2, N3 — различные типы нейронов

Новое исследование показывает, что представление о способности рыб восстанавливать нервные клетки всех типов, скорее всего, ошибочно. Несмотря на то что травмирование мозга приводит к активации клеток-предшественников, некоторые типы нейронов и элементов нейроглии у взрослых рыб уже не могут быть заменены новыми. Причина тому — рост специализации и снижение численности некоторых клеток-предшественников с возрастом. Хорошо восстанавливаются только клетки гранулярного слоя мозжечка, несколько хуже — клетки Гольджи. Основными предшественниками новых клеток мозжечка у данио-рерио являются нейроэпителиальные клетки.

Источник: Jan Kaslin, Volker Kroehne, Julia Ganz, Stefan Hans, Michael Brand. Distinct roles of neuroepithelial-like and radial glia-like progenitor cells in cerebellar regeneration // Development. 2017. V. 144(8). P. 1462–1471. DOI: 10.1242/dev.144907.

Алёна Сухопутова


Источники:

  1. elementy.ru



«Альтернативная история» белков проливает свет на роль случайности в эволюции

Медузы тоже умеют спать

Можно ли повысить шансы на удачную мутацию?

Учёным впервые удалось успешно заморозить (и разморозить) зародыш рыбы

Новое древо жизни включит «симбиомов» как отдельные организмы

Предок энтерококков появился 450 миллионов лет назад

Эксперимент на улитках подтвердил классическую идею о «двойной цене самцов»

Генетики строят родословное древо архей

Одноклеточные существа изобрели гарпунные пулеметы

Раскрыт один из секретов тихоходок

Обнаружены гигантские вирусы с расширенным репертуаром генов для синтеза белка

Первые шаги земной жизни




© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://biologylib.ru/ 'BiologyLib.ru: Библиотека по биологии'

Рейтинг@Mail.ru