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.

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.

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.

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