РНК нейрональных предшественников в гиппокампе указала на нейрогенез у взрослых

Шведские ученые нашли в гиппокампе взрослых людей РНК делящиеся клетки-предшественники нейронов на разных стадиях — и таким образом надежно подтвердили нейрогенез у взрослых. Ученые использовали одноядерное секвенирование РНК и машинное обучение, чтобы разделить клетки на группы в зависимости от того, какие гены они экспрессируют. С помощью пространственной транскриптомики они показали, что предшественники нейронов в основном локализованы в зубчатой извилине. Исследование опубликовано в журнале Science.

Несмотря на то, что формирование новых нейронов в гиппокампе взрослых людей подтверждено неоднократно, некоторые исследователи продолжают ставить взрослый нейрогенез под сомнение. Все потому, что доказательства долгое время были косвенными: ученые находили во взрослом мозге не сами делящиеся клетки — стволовые клетки, клетки-предшественники нейронов и нейробласты, — а их белковые маркеры или признаки пролиферации. Так, пролиферирующие клетки-предшественники обнаруживали во взрослом гиппокампе с помощью маркировки бромдезоксиуридином, который встраивается в ДНК во время репликации, и радиоуглеродного анализа. Однако с помощью транскриптомики эти клетки так и не были обнаружены, а в каких-то работах признаков взрослого нейрогенеза не находили вовсе.

В 2022 году ученые применили секвенирование РНК отдельных ядер к ткани взрослого гиппокампа и обнаружили там РНК незрелых гранулярных нейронов (основных нейронов зубчатой извилины гиппокампа), но не делящиеся клетки-предшественники. Это могло означать, что как такового нейрогенеза во взрослом мозге не происходит, а новые нейроны возникают в нем в результате медленного созревания тех незрелых клеток, которые заложились во время развития.

Попытку найти клетки-предшественники нейронов во взрослом гиппокампе предприняла команда ученых из Каролинского института во главе с Ионутом Думитру (Ionut Dumitru). Они использовали посмертные ткани гиппокампов шести детей до пяти лет и девятнадцати подростков и взрослых для секвенирования одноядерной РНК, а также машинное обучение и пространственную транскриптомику.

Анализируя экспрессию генов в отдельных ядрах, ученые обнаружили в гиппокампах детей клетки похожие на нейрогенные клетки гиппокампа мыши. Среди этих клеток было два больших кластера — в одном преобладали астроциты, а в другом — гранулярные нейроны. Кроме этого, часть клеток экспрессировала маркеры клеточной пролиферации: MKI67 или EOMES, что характерно для клеток-предшественников и нейробластов. Внутри кластера астроцитов ученые идентифицировали нервные стволовые клетки, экспрессирующие одновременно NESTIN, PAX6, ASCL1, SOX2 и почти не экспрессирующие S100β — характерный ген глиальных клеток. А незрелые нейроны нашлись в кластере гранулярных — они экспрессировали маркеры нейропластичности — PROX1, ST8SIA2, DCX — и почти не экспрессировали ген GAD2, кодирующий фермент биосинтеза гамма-аминомасляной кислоты. Затем ученые сравнили экспрессию генов в клетках гиппокампа человеческих детей и мышей: особенности экспрессии были очень схожи в клетках-предшественниках и нейробластах, но несколько различались в стволовых клетках и незрелых нейронах.

Далее исследователи секвенировали одноядерную РНК тканей гиппокампов или отдельно зубчатых извилин подростков и взрослых. Нейронные предшественники, хотя и в меньшем количестве, чем у детей, обнаружились и здесь. Однако идентифицировать отдельные типы клеток ученым было сложно — и они обратились к машинному обучению. Три алгоритма обучили идентифицировать ядра, транскрипционно похожие на детские клетки-предшественники и нейробласты, и протестировали на наборе данных подростков и взрослых. Это позволило ученым идентифицировать 354 клетки: нервные стволовые клетки (12 у подростков и 65 у взрослых), клетки-предшественники (4 у подростков и 71 у взрослых) и нейробласты (202 у взрослых). РНК-профили этих клеток совпадали не только с профилями мышиных предшественников нейронов, но и с профилями человеческих эмбриональных предшественников, а также были схожи с профилями предшественников нейронов свиней и макак. Однако клетки-предшественники подростков и взрослых экспрессировали меньше EOMES и ТFАР2С, чем детские.

С помощью гибридизации in situ ученые провели пространственную транскриптомику на одном из образцов ткани взрослого гиппокампа. Так они идентифицировали стволовые нервные клетки, клетки-предшественники и нейробласты, экспрессирующие маркеры пролиферации, в области зубчатой извилины гиппокампа. При этом пролифелирующие стволовые клетки нередко располагались вместе с клетками-предшественниками, а нейробласты — кучно. Это указывало на активный нейрогенез.

Авторы заключили, что в гиппокампе взрослого человека действительно происходит дифференциация предшественников и созревание новых гранулярный нейронов. Они отметили, что зрелые гранулярные клетки в основном реагируют на тормозящие сигналы, тогда как предшественники и незрелые нейроны очень чувствительны к возбуждению — и таким образом даже небольшое количество новых клеток может влиять на работу гиппокампа. А также подчеркнули, что уровень нейрогенеза различался в разных образцах, что согласуется с предыдущими сообщениями о вариабельности нейрогенеза.

Ранее ученые обнаружили, что взрослый нейрогенез и миграция молодых нейронов помогает самцам птиц лучше петь в сезон размножения. Если миграцию молодых нейронов блокировали, улучшения перстни не происходило.