Происхождение нейронов и глии нервной системы

Как было сказано ранее, нервную трубку можно считать «колыбелью» мозга. Выстилающие ее нейрональные стволовые клетки обладают колоссальной способностью к самообновлению. Когда стволовая клетка делится, она образует две стволовые клетки, одна из которых погибает, а другая снова начинает делиться.

Этот процесс повторяется снова и снова на протяжении всей жизни организма. У взрослого человека нейрональные стволовые клетки выстилают стенки желудочков, образуя субвентрикулярную (субэпендимную) зону.

Если бы формирование выстилки желудочков было единственной функцией нейрональных стволовых клеток в течение десятилетий человеческой жизни, то это было бы очень неразумно. Однако помимо самообновления у нейрональных стволовых клеток есть еще одна функция: они дают начало клеткам-предшественницам, которые также могут делиться.

Как показано на рис. ниже, клетки-предшественницы в конечном итоге дифференцируются в клетки мозга, уже не способные к делению и известные как нейробласты и глиобласты. В свою очередь, нейробласты и глиобласты превращаются в зрелые нейроны и глию. Таким образом, нейрональные стволовые клетки являются мультипотентными: они дают начало многим специализированным типам клеток ЦНС.

Происхождение клеток мозга. Источником клеток мозга служит мультипотентная стволовая клетка, дающая начало клетке-предшественнице, а та, в свою очередь, дифференцируется в бластные клетки, из которых образуются зрелые нейроны и глия

Сэм Вайс с коллегами (Weiss et al., 1996) обнаружил, что стволовые клетки способны образовывать нейроны и глию не только в раннем взрослом возрасте, но и в стареющем мозге. Из этого важного открытия можно сделать вывод, что нейроны, которые погибают в мозге взрослого человека, могут быть заменены. Но неврологи еще не нашли способа, как стимулировать стволовые клетки для дифференцировки и замены погибших нервных клеток.

Одной из возможностей для образования новых нейронов в мозге является использование сигнальных молекул, контролирующих производство стволовых клеток у взрослых. Например, уровень нейропептида пролактина повышается, когда самки мышей беременны, и он стимулирует образование нейронов в мозге плода. Было показано, что эти естественные гормоны способствуют замене потерянных нейронов у лабораторных животных с повреждениями головного мозга (см. обзоры Bond et al., 2015 и Faiz & Morshead, 2018).

Как стволовая клетка знает, кем ей стать: нейроном или клеткой кожи? При действии специфических сигналов в каждой клетке экспрессируются (включаются) определенные гены, и эти гены определяют тип клеток, который в конечном итоге получится. Экспрессия гена — процесс, посредством которого информация от гена используется для синтеза продукта гена — белка.

Представьте, что одни белки отвечают за формирование клеток кожи, а другие белки — за формирование нейронов. Аналогично некоторые белки участвуют в дифференциации одних типов нейронов, например пирамидных, тогда как другие формируют гранулярные клетки.

Специфические сигналы, регулирующие экспрессию генов, большей частью неизвестны, но, вероятно, они являются химическими веществами и лежат в основе эпигенетической изменчивости. Наиболее распространенным эпигенетическим механизмом, подавляющим экспрессию генов во время развития, является метилирование генов или метилирование ДНК. В этом процессе метильная группа (СН₃) присоединяется к цитозину, лежащему рядом с гуанином в последовательности оснований ДНК.

Степень метилирования генов достаточно просто определить количественно, она выражает увеличение или уменьшение общей экспрессии генов у особей с разными фенотипами.

Метилирование сильно влияет на экспрессию генов в период развития организма. Стресс в пренатальном периоде может уменьшить степень метилирования генов на 10%. Это означает, что у младенцев, подверженных стрессу в пренатальном периоде развития, экспрессируется на 2000 генов больше (в геноме человека более 20 000 генов), чем у младенцев без стресса (Mychasiuk et al., 2011). К другим эпигенетическим механизмам, регулирующим экспрессию генов, относится модификация гистонов и мРНК, но их сложнее описать количественно.

Таким образом, химическая среда, окружающая клетки мозга, отличается от химической среды в других частях тела: в клетках мозга активируются разные гены, что приводит к синтезу разных белков, а значит, и к формированию разных типов клеток. Химическая среда необходима для запуска клеточной дифференциации и может быть создана активностью соседних клеток или химическими веществами, которые переносятся с кровью, например гормонами.

Дифференциация стволовых клеток в нейроны требует ряда сигналов для активации соответствующих генов. Химический сигнал должен побудить стволовые клетки к образованию клеток-предшественниц; другой химический сигнал должен стимулировать клетку-предшественницу стать либо нейробластом, либо глиобластом. Наконец, химический сигнал, а возможно, и набор таких сигналов, должны активировать гены, необходимые для созревания определенного типа нейрональных клеток.

Соединения, которые сигнализируют клеткам о необходимости развития по определенному сценарию, называются нейротрофическими факторами (от греч. trophe — питательный). Если стволовые клетки извлечь из мозга животного и поместить в питательную среду, то можно исследовать, как функционируют нейротрофические факторы. Так, эпидермальный фактор роста (EGF; epidermal growth factor) при добавлении к культуре стволовых клеток стимулирует образование из них клеток-предшественниц.

Другое соединение, основной фактор роста фибробластов (bFGF или FGF-2; basic fibroblast growth factor), стимулирует клетки-предшественницы к образованию нейробластов.

На этом этапе судьба каждого нейробласта еще не предопределена. Бластная клетка может стать нейроном любого типа, если получит определенные химические сигналы. Развитие мозга зависит от общих свойств нейрона, который в определенном месте, при воздействии определенных нейротрофических факторов дифференцируется в определенный тип клеток.

Такая гибкость делает развитие мозга более простым, чем если бы каждый отдельный тип клеток и их число были точно определены генами организма. Точно так же гораздо проще строить дом из универсального бруса, который можно обрезать по мере необходимости, чем указывать на чертеже точное количество и размеры брусков, использующихся лишь в определенном месте.

Видео лекция гистология нейронов и нейроглии

- Читать далее "Рост и развитие нейронов"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 7.9.2023