Czy nowo powstające neurony różnią się u człowieka i innych ssaków?
Grafika wygenerowana przy pomocy Chat GPT
Badania nad neurogenezą dorosłych, czyli procesem powstawania nowych neuronów w dojrzałym mózgu, od wielu lat budzą zainteresowanie naukowców. Szczególną uwagę poświęca się hipokampowi, strukturze odpowiedzialnej za tworzenie wspomnień, orientację przestrzenną oraz zdolność uczenia się. Chociaż już pod koniec XX wieku wykazano, że w ludzkim hipokampie mogą powstawać nowe komórki nerwowe, kolejne badania przynosiły często sprzeczne wyniki. Część zespołów badawczych twierdziła, że neurogeneza utrzymuje się przez całe życie, podczas gdy inne sugerowały, że proces ten u ludzi jest bardzo ograniczony lub wręcz zanika w wieku dorosłym. Jedną z przyczyn tych rozbieżności mogło być stosowanie markerów molekularnych opracowanych dla myszy do identyfikacji niedojrzałych neuronów u ludzi. Zespół Yi Zhou, Guo-li Minga i Hongjuna Songa postanowił sprawdzić, czy rzeczywiście komórki nerwowe powstające w mózgu różnych gatunków ssaków są do siebie na tyle podobne, aby można było analizować je w identyczny sposób.
Badaczy interesowały przede wszystkim niedojrzałe komórki ziarniste zakrętu zębatego hipokampa, określane skrótem imGCs (ang. immature dentate granule cells). Są to młode neurony, które dopiero dojrzewają i stopniowo włączają się do istniejących sieci nerwowych. Uważa się, że właśnie one odpowiadają za część zdolności mózgu do adaptacji, tworzenia nowych wspomnień oraz uczenia się. Ich dokładne poznanie ma znaczenie nie tylko dla zrozumienia funkcjonowania zdrowego mózgu, ale również dla opracowania metod leczenia chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, oraz następstw urazów mózgu. Autorzy podkreślili, że wiedza dotycząca ludzkich niedojrzałych neuronów jest znacznie skromniejsza niż w przypadku myszy, które od dziesięcioleci stanowią podstawowy model wykorzystywany w neurobiologii.
Aby odpowiedzieć na postawione pytania, naukowcy wykorzystali sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek, określane skrótem scRNA-seq (ang. single-cell RNA sequencing). Metoda ta pozwala analizować aktywność genów w pojedynczych komórkach zamiast badać jednocześnie całe fragmenty tkanki. Dzięki temu można dokładnie określić, które geny są aktywne w konkretnym neuronie oraz na jakim etapie rozwoju znajduje się dana komórka. Jest to obecnie jedna z najdokładniejszych technik służących do poznawania różnorodności komórek organizmu. W przeciwieństwie do klasycznych metod nie pokazuje jedynie średniej aktywności genów w całej tkance, lecz pozwala zajrzeć do wnętrza każdej komórki osobno.
Samo zebranie danych nie wystarczało jednak do rozwiązania problemu. Badacze zdawali sobie sprawę, że wykorzystanie markerów opisanych wcześniej u myszy mogłoby prowadzić do błędnych wniosków podczas analizy komórek człowieka czy makaka. Dlatego zastosowali algorytmy uczenia maszynowego, które najpierw uczono rozpoznawania niedojrzałych neuronów na podstawie zestawu komórek o najwyższej pewności identyfikacji. W praktyce komputer analizował jednocześnie aktywność tysięcy genów i uczył się odróżniać komórki młode od dojrzałych. Pozwoliło to stworzyć klasyfikator wykorzystujący pełny profil molekularny komórek zamiast kilku pojedynczych markerów biologicznych. Następnie identyczne kryteria zastosowano do danych pochodzących od ludzi, makaków, świń oraz myszy, co umożliwiło bezpośrednie porównanie wyników między gatunkami.
Analiza objęła wszystkie dostępne w momencie prowadzenia badań zestawy danych dotyczące sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek hipokampa tych czterech gatunków. Dzięki temu autorzy mogli porównać profile ekspresji genów, czyli sprawdzić, które geny są aktywne w niedojrzałych komórkach nerwowych oraz jak różnią się one od dojrzałych neuronów. Ekspresja genów oznacza proces, podczas którego informacja zapisana w DNA zostaje wykorzystana do wytwarzania cząsteczek RNA i białek odpowiadających za funkcjonowanie komórki. Zestaw wszystkich aktywnych cząsteczek RNA w danym momencie określa się mianem transkryptomu. Porównanie transkryptomów pozwala więc bardzo dokładnie ocenić podobieństwa i różnice między komórkami.
Największym zaskoczeniem okazało się odkrycie, że poszczególne gatunki wykorzystują odmienne zestawy genów podczas dojrzewania nowych neuronów. Naukowcy spodziewali się znacznie większego podobieństwa, ponieważ neurogeneza występuje u większości badanych ssaków i jest procesem zachowanym w toku ewolucji. Tymczasem okazało się, że wspólnych genów aktywnych we wszystkich gatunkach jest stosunkowo niewiele, natomiast zdecydowana większość była charakterystyczna dla konkretnego gatunku. Oznacza to, że człowiek, makak, świnia i mysz mogą wykorzystywać odmienne mechanizmy molekularne do osiągnięcia podobnego efektu biologicznego.
Choć poziom aktywności poszczególnych genów różnił się znacząco między gatunkami, autorzy zauważyli coś równie interesującego. Analizy funkcjonalne wykazały, że odmienne zestawy genów prowadzą do aktywacji bardzo podobnych procesów biologicznych. Dotyczyły one przede wszystkim rozwoju neuronów, różnicowania komórek nerwowych, organizacji cytoszkieletu, czyli wewnętrznego rusztowania komórki, powstawania połączeń między neuronami oraz tworzenia wypustek nerwowych. Innymi słowy, różne gatunki osiągają podobny rezultat biologiczny, wykorzystując częściowo odmienne narzędzia genetyczne. Autorzy nazwali to przykładem zbieżności procesów biologicznych pomimo różnic w ekspresji genów. Było to jedno z najważniejszych odkryć całej pracy, ponieważ wcześniejsze badania nad rozwojem kory mózgowej często wskazywały pojedyncze geny jako główne źródło różnic międzygatunkowych. Tutaj sytuacja okazała się znacznie bardziej złożona.
Szczególną uwagę badaczy zwróciły geny występujące wyłącznie u ludzi lub wykazujące u człowieka znacznie wyższą aktywność niż u pozostałych gatunków. Wśród nich znalazła się przede wszystkim rodzina genów ATP6 kodujących podjednostki ATPazy typu wakuolarnego V-ATPase (ang. vacuolar-type ATPase). Jest to wielobiałkowy kompleks odpowiedzialny za transport protonów przez błony komórkowe. Dzięki temu komórka może regulować kwasowość swojego wnętrza oraz funkcjonowanie licznych organelli. Proces ten ma ogromne znaczenie dla dojrzewania komórek nerwowych, transportu białek oraz przekazywania sygnałów między neuronami. Dotychczas nie przypuszczano jednak, że aktywność tych genów może stanowić jedną z cech wyróżniających ludzkie niedojrzałe neurony powstające podczas neurogenezy w dorosłym wieku.
Autorzy nie ograniczyli się wyłącznie do analizy komputerowej. Aby sprawdzić, czy zaobserwowane różnice rzeczywiście wpływają na rozwój neuronów, wykorzystali model laboratoryjny oparty na ludzkich pluripotencjalnych komórkach macierzystych (komórki posiadające zdolność przekształcenia się niemal w każdy typ komórek organizmu). W odpowiednich warunkach laboratoryjnych można z nich otrzymać również młode neurony przypominające komórki występujące w hipokampie człowieka. Dzięki temu badacze mogli eksperymentalnie sprawdzić, jak zmiana aktywności ATPazy typu wakuolarnego wpływa na rozwój komórek nerwowych, zamiast opierać się wyłącznie na analizie danych genetycznych.
Eksperymenty wykazały, że ATPaza typu wakuolarnego odgrywa istotną rolę w rozwoju wypustek nerwowych. Wpływała również na tworzenie aktywnych sieci neuronalnych, które odpowiadają za przekazywanie impulsów nerwowych. Oznacza to, że odkryte przez autorów geny nie są jedynie przypadkowymi markerami molekularnymi, lecz pełnią rzeczywistą funkcję biologiczną podczas dojrzewania nowych neuronów. Wynik ten znacząco wzmacnia wiarygodność całego badania, ponieważ pokazuje, że obserwowane różnice mają praktyczne konsekwencje dla funkcjonowania komórek nerwowych.
Jednym z najważniejszych wniosków płynących z pracy jest konieczność ostrożnego przenoszenia wyników uzyskanych u myszy na organizm człowieka. Przez wiele lat mysz była podstawowym modelem wykorzystywanym do badań nad neurogenezą, ponieważ łatwo prowadzić na niej eksperymenty laboratoryjne. Autorzy wykazali jednak, że ludzkie niedojrzałe neurony posiadają własne cechy molekularne, których nie obserwuje się u myszy, świń ani makaków. Wyjaśnia to, dlaczego wcześniejsze badania często prowadziły do sprzecznych wniosków dotyczących obecności neurogenezy u ludzi. Jeżeli do identyfikacji ludzkich komórek stosowano wyłącznie markery charakterystyczne dla myszy, część neuronów mogła po prostu pozostać niewykryta.
Ponadto pomimo ogromnych możliwości współczesnych metod badawczych przytoczona analiza posiada pewne ograniczenia. Sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek pozwala bardzo dokładnie analizować aktywność genów, jednak najlepiej wykrywa geny o wysokiej ekspresji. Oznacza to, że część słabiej aktywnych genów mogła nie zostać uwzględniona w analizie. Ponadto badanie nie obejmowało różnic wynikających z odmiennej budowy genomów poszczególnych gatunków ani różnych wariantów tych samych genów, określanych jako izoformy.
Znaczenie omawianego badania wykracza daleko poza samą neurogenezę. Wyniki pokazują, że w biologii ewolucyjnej podobne funkcje komórek nie zawsze muszą być osiągane przy wykorzystaniu identycznych genów. W przypadku niedojrzałych neuronów poszczególne gatunki wykształciły odmienne rozwiązania molekularne prowadzące do tych samych efektów biologicznych. Autorzy określają to jako zbieżność procesów biologicznych przy jednoczesnej różnorodności mechanizmów genetycznych. Odkrycie to może mieć znaczenie również dla badań nad rozwojem mózgu, starzeniem się układu nerwowego oraz opracowywaniem terapii regeneracyjnych opartych na komórkach macierzystych.
Literatura
Zhou Y., Guo-li Ming, Hongjun Song (2025). Cross-species analysis of adult hippocampal neurogenesis reveals human-specific gene expression but convergent biological processes. Nature Neuroscience. https://doi.org/10.1038/s41593-025-02027-9.
Eriksson P. S., Perfilieva E., Björk-Eriksson T., Alborn A. M., Nordborg C., Peterson D. A., Gage F. H. (1998). Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nature Medicine, 4(11), 1313-1317.
Ming G. L., Song H. (2011). Adult neurogenesis in the mammalian brain: significant answers and significant questions. Neuron, 70(4), 687-702.
osoni, G., Ayyildiz, D., Bryois, J., Macnair, W., Fitzsimons, C. P., Lucassen, P. J., & Salta, E. (2023). Mapping human adult hippocampal neurogenesis with single-cell transcriptomics: Reconciling controversy or fueling the debate? Neuron, 111(11), 1714–1731.e3.
