В первые недели развития плода нервная пластинка изгибается, образуя нервную трубку, которая после слияния становится головным и спинным мозгом плода. Дефекты нервной трубки, которые могут варьироваться от легких до тяжелых, характеризуются неполным развитием головного, спинного мозга или мозговых оболочек. Эти дефекты могут потенциально привести к параличу или даже гибели плода или новорожденного. По данным Национального института здоровья, расщелина позвоночника, поражающая спинной мозг, является наиболее частым дефектом нервной трубки в U.S., ежегодно затрагивает до 2000 младенцев.
«Несмотря на высокую частоту, расщелина позвоночника остается одним из наименее изученных структурных врожденных дефектов», – говорит Брайан С. Шютте, доцент кафедры микробиологии и молекулярной генетики, педиатрии и человеческого развития в Университете штата Мичиган и старший автор исследования. "Существуют убедительные доказательства того, что генетические факторы являются основной причиной таких структурных врожденных дефектов, но в большинстве случаев причина неизвестна. «Исследование нашей команды – первое опубликованное исследование, демонстрирующее, что варианты ДНК в гене IRF6 могут вызывать расщелину позвоночника», – говорит Шутте.
Более того, исследовательская группа определила механизм, объясняющий, как изменение IRF6 приводит к дефектам нервной трубки.
Этот механизм связывает функцию IRF6 с двумя другими генами, известными как фактор транскрипции AP2A (TFAP2A) и Grainyhead Like 3 (GRHL3), которые также необходимы для развития нервной трубки, губы и неба.
«Мы все ищем причины, когда, как и почему возникают врожденные дефекты», – добавляет Юсеф А. Куса, MS, D.О., Ph.D., научный сотрудник отделения детской неврологии Национальной системы здравоохранения детей и ведущий автор исследования. «Наша главная цель – профилактика. Эта статья является важной разработкой, потому что наша команда определила группу генов, которые потенциально могут способствовать очень распространенным типам врожденных дефектов: черепно-лицевым дефектам, а также дефектам нервной трубки."
Научная одиссея – прекрасный пример интуитивной прозорливости. Коуса, тогда работавший в лаборатории Шютте, изучал влияние нового мутантного экспериментального модельного штамма на развитие нёба.
Но однажды он вошел в офис Шютте с деформированным доклиническим эмбрионом и сказал: «Брайан, посмотри на это!"
«Странные вещи происходят в биологии», – ответил Шютте и посоветовал ему вернуться, если это произойдет снова. Менее чем через две недели Коуса вернулся с еще несколькими деформированными доклиническими эмбрионами и сказал: «Хорошо, Брайан. Это случилось снова."
Через несколько часов Куса обнаружил недавно опубликованное исследование, в котором было изображение доклинического эмбриона с аналогичным поражением.
Затем пара наметила возможные пересекающиеся генетические пути, в то время как они провели мозговой штурм бесчисленных способов получить этот конкретный фенотип. Первоначально они проверили свои гипотезы на экспериментальных моделях и в конечном итоге подтвердили результаты генетических исследований человека. Исследования на людях могли проводиться только в сотрудничестве. Шютте поделился своими первоначальными наблюдениями с исследователями-генетиками человека, разбросанными по всей стране.
Затем эти лаборатории великодушно согласились проверить, связаны ли варианты ДНК в IRF6 с дефектами нервной трубки в образцах от пациентов, которые они собрали за десятилетия исследований.
Команда обнаружила, что Tfap2a, Irf6 и Grhl3 являются компонентами генной регуляторной сети, необходимой для нейруляции, процесса сворачивания, который приводит к изгибанию нервной трубки и последующему слиянию, чтобы стать основой нервной системы эмбриона, от головного до спинного мозга.
«Поскольку эта сеть также необходима для формирования губ, неба, конечностей и эпидермиса, которые развиваются в разное время и в разных местах в процессе эмбриогенеза, мы предполагаем, что сеть Tfap2a-Irf6-Grhl3 является фундаментальным путем для множественных морфогенетических процессов», исследователи пишут.
Фактор регуляции интерферона 6 работает лучше всего, когда экспрессия не слишком велика и не слишком много. Сверхэкспрессия Irf6 подавляет белок активации транскрипционного фактора 2A и Grainyhead Like 3, вызывая экзэнцефалию – дефект нервной трубки, характеризующийся расположением мозга за пределами черепа. Как ни странно, экспериментальные модели, в которых было слишком мало Irf6, также приводили к снижению уровней Tfap2a и Grhl3, что приводило к структурному врожденному дефекту, но на противоположном конце нервной трубки.
Чтобы проверить, верны ли результаты экспериментальной модели на людях, они секвенировали образцы людей с расщелиной позвоночника и анэнцефалией – редким врожденным дефектом, который Куса заметил в экспериментальных моделях – и обнаружили, что функция IRF6 сохраняется у людей.
Из-за генетической сложности этих врожденных дефектов и проблем, связанных со сбором образцов в случаях тяжелых врожденных дефектов, многие исследовательские группы были приглашены для участия в исследовании.
В подтверждение своей коллегиальности исследователи из Стэнфордского университета, Техасского университета в Остине, Университета Айовы, Техасского университета в Хьюстоне и Университета Дьюка согласились поделиться ценными образцами из Калифорнийской программы мониторинга врожденных дефектов на основе наследственной основы дефектов нервной трубки. исследования и из их собственных институциональных выборочных коллекций.
«По мере того, как мы совершенствуемся в персонализированной медицине, мы могли бы использовать эту информацию, чтобы однажды помочь семьям проконсультировать семьи об их собственном риске и защитных факторах», – добавляет Коуса. "Если мы сможем идентифицировать генетический путь, мы также сможем изменить его, чтобы предотвратить врожденный дефект.
Например, пренатальный прием фолиевой кислоты привел к уменьшению числа детей, рожденных с дефектами нервной трубки, но не все дефекты нервной трубки чувствительны к фолиевой кислоте. Эти знания помогут нам разработать индивидуальные вмешательства."