Как отличить мозг здорового человека от мозга больного шизофренией?

ЭкспертНаука

Биохимия сознания и его болезней

Мозг людей с шизофренией со стопроцентной точностью можно отличить от мозга здоровых людей на молекулярном уровне, причем ключевые маркеры найдены не там, где все их искали. Новые данные открывают путь к системному изучению мозга человека

Виталий Лейбин

Можем ли мы на молекулярном уровне понять, как рождается человеческое сознание? До этого еще далеко, но современные методы экспериментальной биологии вместе с машинными методами анализа больших данных позволяют получать неожиданные результаты, касающиеся фундаментальных вопросов жизни. В недавней статье* в престижном журнале Nature Genetics авторы из России Павел Мазин и Филипп Хайтович и их коллеги из Германии увидели, изучив эмбрионы и взрослые ткани семи видов животных (шесть млекопитающих, включая человека, и одна птица), что тонкие настройки работы генов активнее всего используются при развитии мозга и сердца.

Программа развития и жизни организмов, как известно, записана в генах, которые хранятся в молекулах ДНК. Все ткани организма и каждая их клетка содержат один и тот же набор генов, но они очень отличаются друга от друга. Различия проявляются в результате развития от эмбриона к взрослому организму и связаны с тем, что один и тот же набор генов прочитывается на разных стадиях развития и в разных тканях по-разному. Из отдельных частей клеточной ДНК в результате их «чтения» (транскрипции) получаются молекулы РНК, из которых, в свою очередь, делаются белки, строительные материалы и инструменты работы клеток. На каждой стадии развития организмов в разных тканях считываются разные количества разных РНК. И это можно сейчас тотально прочитывать и анализировать.

Но сама РНК, чтобы из нее можно было сделать белок, должна пройти путь созревания, и это очень важно для регуляции активности разных генов в разных клетках и ситуациях. В сложных организмах текст генов (кодирующая последовательность) чередуется с ненужными на первый взгляд кусками текста, которые не имеют отношения к структуре будущего белка, как если бы мы в этой статье абзац значимого текста разбавляли абзацем абракадабры. В процессе созревания из РНК эти куски вырезаются, и этот процесс называется сплайсинг (от англ. splice — сращивать или склеивать концы). То, как устроено созревание РНК, очень важно для того, сколько и в каких ситуациях с нее считается молекул белков. И еще более хитрая вещь — этот самый сплайсинг: из гена может сделать разные РНК, и это явление называется «альтернативный сплайсинг». Эта тонкая настройка работы генов, как выяснилось, больше всего используется в мозге.

Разбираясь с результатами упомянутой статьи, «Эксперту» удалось обсудить с одним из ее авторов новые, еще не опубликованные результаты, открывающие целую программу системного исследования мозга.

Об отличии мозга человека от мозга шимпанзе, о том, как всего за миллион лет эволюции от обезьяноподобного предка могло возникнуть настоящее человеческое мышление, о том, как со стопроцентной уверенностью можно отличить здоровый мозг от мозга больного шизофренией, и о том, почему мы поразительно мало знаем о человеческом мозге и как построить программу его системного изучения, рассказывает профессор Сколковского института науки и технологий и Шанхайского научно-исследовательского института вычислительной биологии Филипп Хайтович.

Профессор Сколтеха Филипп Хайтович: «Все, что я делаю, я делаю для того, чтобы понять, можем ли мы объяснить наш интеллект нашим мозгом, доходя до молекулярных основ. Можно ли объяснить небольшим количеством событий эволюцию человеческого мозга»

Почему мы не знаем мозг

— В недавней работе вы с коллегами открыли неодинаковую роль в развитии разных органов различных животных такого инструмента управления генетической информацией в клетках, как сплайсинг. А что мы знаем о сплайсинге вообще? Это дополнительный уровень управления генетической программой?

— Сплайсинг — это способ получить больше разнообразия из одного генома («Получите больше из своей ДНК!»). Про мозг было известно, что в нем часто используются разные тонкие настройки активности генов, например использование альтернативных регуляторных последовательностей, определяющих регуляцию уровней РНК. Сплайсинг, видимо, тоже входит в арсенал управления активностью генов в нервных клетках. Большая часть вариантов сплайсинга не влияет на кодирующую часть гена, то есть из всех вариантов отредактированного сплайсингом РНК получается один и тот же белок. Разнообразное редактирование касается концов кодирующей молекулы, где располагается регуляторная информация, которая подсказывает, в каком количестве и при каких сигналах считывать с гена белок. Но встречаются и модификации белков, мозг обладает разнообразием еще и в том, что он делает

более разнообразные белки. Есть знаменитые примеры, когда такие белки используются для таргетирования растущих нервных окончаний, аксонов, к своим мишеням. Но, похоже, в мозге это только вершина айсберга. Мы смотрели на кору головного мозга и на кору мозжечка — и там и там мозг использует сплайсинг и для регуляции, и для того, чтобы получать новые формы белков.

— В чем была ключевая идея и главный ваш интерес?

— Это был большой проект. Самым интересным было посмотреть, как в эволюции меняется развитие организмов. Понятно, что процесс развития, взросления — очень консервативный, небольшая поломка в начале создания организма — и он может не выжить. Тем не менее разные виды животных выглядят и действуют по-разному, и значит, какие-то новые вещи в развитии все же появляются. Активность генов является молекулярной основой для всего процесса развития.

Сначала мы измеряли экспрессию (активность) генов при развитии в разных тканях разных видов. На уровень экспрессии генов смотрели и до нас. Конечно, это важно и интересно, много важной информации, но особых неожиданностей не было.

Изначально было понятно, что уровень экспрессии генов в развитии меняется, причем во всех тканях эти изменения должны нарастать по сравнению с исходным уровнем — при усложнении организмов и становлении органов активность генов должна расти в сравнении с активностью генов в клетках зародыша.

А вот сплайсинг — должен ли он меняться? Если да, то насколько?

Сплайсинг — это дополнительный уровень изучения активности генов. На него смотреть немножко сложнее, потому что, когда мы смотрим на активность генов, мы смотрим на весь ген, а когда на сплайсинг, то вынуждены следить за отдельными, короткими участками гена, активность которых может очень сильно варьировать в ходе самих измерений. Поэтому не так много групп в мире смотрят на сплайсинг, и это исследование было довольно новым.

Мы показали в этой работе, что разные органы имеют разный уровень изменений. Мозг использует альтернативный сплайсинг очень сильно. В результате последовательность РНК в мозге очень сильно отличается по сравнению с клетками раннего эмбриона. А в печени или почках особых изменений по сравнению с эмбриональным сплайсингом нет.

В семенниках, но уже в период полового созревания, происходит всплеск активности генов и альтернативного сплайсинга.

Однако больше всего удивило сердце. Казалось бы, сердце — ну, обычная мышца… Но в сердечной мышце альтернативный сплайсинг используется очень часто (не так часто, как в мозге, но все равно очень значительно). То есть если смотреть на расхождение тканей в развитии по общей активности генов, то получается что-то вроде куста: в основании — клетки зародыша, а потом от него ответвляются разные ткани. Но если смотреть по сплайсингу, то мозг, сердце и, во время полового созревания, семенники ответвляются от эмбрионального основания, а другие ткани, такие как печень и почки, так и остаются у основания.

— Как технически делалась эта работа? Интересно, как вообще сейчас делается интересная наука.

— Мы эту работу делали в течение шести лет. В данной теме главные — немецкие коллеги, они получили на нее большой грант, шесть миллионов евро. Первым этапом был сбор образцов. Довольно сложно собрать коллекцию образцов разных тканей разных видов животных. У нас в работе были и довольно экзотические виды, например опоссум, макака, да и из человека тоже непросто получить образцы тканей, особенно эмбриональной. Надо было в каждой ткани проверить, что в ней сохранилась РНК. А РНК — это же не ДНК с точки зрения стабильности молекулы. Это ДНК может тысячелетиями храниться в какой-нибудь пещере, из древнего зуба можно ее выделить. А вот с РНК так не выйдет. Если опоссум умер в зоопарке, то не факт, что от его РНК что-то останется, пока он доедет до лаборатории. После сбора коллекции выделяется РНК (и это техническая работа, это делают лаборант или робот), к ней «прошивают» адаптеры, и все это загружается в аппарат, который прочитывает последовательности миллиардов молекул РНК и выдает нам эти данные. А потом эти данные долго и муторно анализируются. Немецкие коллеги главным образом собрали большую коллекцию — это дело очень непростое, они и измеряли экспрессию — дело очень дорогое. Мы тоже участвовали в сборе образцов, но главное, в анализе данных — это была задача научного сотрудника нашей лаборатории Павла Мазина.

— А современная биология — это фабрика, умная, но все же фабрика? Или есть момент «искры» озарений и вдохновений — вот этого никто не видел, а ты увидел?

— По большей части фабрика. Вещи неочевидные — это вещи с высокой степенью риска, и на них очень сложно получить финансирование. Конечно, такие возможности все равно есть, есть такие работы. Но на то и риск, что немногие из таких работ выстреливают. Редкость, когда читаешь статью и думаешь: ого, я и не думал, что так можно. Но это не случай данной работы. Тут надо было собрать кучу образцов, потом измерить, используя кучу денег, уровни экспрессии и сплайсинга, а потом, применяя компьютерную технику, все это проанализировать. Конечно, это дает новую информацию, но никакого риска нет, мы в любом случае получили бы большой ресурс, базу данных, которую можно интерпретировать, изыскивать из нее много полезной информации, которую никогда никто не видел.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Как продать все, не имея ничего Как продать все, не имея ничего

Дропшипперы, сервисные партнеры и селлеры. Кто реально продает на маркетплейсах

Эксперт
Алексей Левин: «Сахар, яйца и мука — наши лучшие друзья!» Алексей Левин: «Сахар, яйца и мука — наши лучшие друзья!»

Шеф-кондитер сети «Сыроварня» — человек правил и знает, как покорить гостя

Bones
За кадром За кадром

Искусственное освещение природных объектов внушает священный трепет

National Geographic
Швабры на $3 млрд: как домохозяйка построила бизнес-империю на «чудо-товарах» для дома Швабры на $3 млрд: как домохозяйка построила бизнес-империю на «чудо-товарах» для дома

История предпринимательницы, которой однажды надоело отжимать тряпку руками

Forbes
Мой до дыр! Мой до дыр!

10 самых распространенных ошибок при уборке, которые делают почти все

Лиза
«Почему женщины убивают», экранизация Стивена Кинга и возвращение «Друзей»: 11 самых ожидаемых сериалов лета «Почему женщины убивают», экранизация Стивена Кинга и возвращение «Друзей»: 11 самых ожидаемых сериалов лета

Главные летние сериальные премьеры: Стивен Кинг, Тед Лассо и другие

Forbes
Вин Дизель: «Пока валяешься на земле, чей-то ботинок непременно заедет тебе по роже» Вин Дизель: «Пока валяешься на земле, чей-то ботинок непременно заедет тебе по роже»

Вин Дизель — о том, почему очередную часть франшизы «Форсаж» нельзя пропускать

Esquire
Мужская история Мужская история

Интерьер с ярко выраженным мужским характером и лесными мотивами

Идеи вашего дома
Неизвестную доисторическую акулу узнали по зубам Неизвестную доисторическую акулу узнали по зубам

Юрское побережье подарило палеонтологам новую находку

National Geographic
Нет гендиректора, а зарплату определяют коллеги: компания из Аргентины с 85 сотрудниками работает без руководителей Нет гендиректора, а зарплату определяют коллеги: компания из Аргентины с 85 сотрудниками работает без руководителей

Работа, где нет руководителей, а зарплату устанавливают сами сотрудники

VC.RU
Не только «Великолепный век»: лучшие исторические сериалы про любовь и страсть Не только «Великолепный век»: лучшие исторические сериалы про любовь и страсть

Список отличных сериалов, похожих на «Великолепный век»

Cosmopolitan
MONA SONGZ MONA SONGZ

MONA SONGZ рассказал, как Меладзе отреагировал на его кавер

ЖАРА Magazine
«Мёртвый жук» и еще 4 упражнения, которые можно делать в кровати «Мёртвый жук» и еще 4 упражнения, которые можно делать в кровати

Утренняя зарядка для тех, кто не любит быстро вставать с постели

Maxim
Стартап CleverPet продал тысячи панелей для «разговоров» с животными: чем он занимается и как работают его устройства Стартап CleverPet продал тысячи панелей для «разговоров» с животными: чем он занимается и как работают его устройства

Стартап CleverPet: кто и как придумал технологии для общения людей и их животных

VC.RU
«Русский всадник в парадигме власти» «Русский всадник в парадигме власти»

Отрывок из книги Бэллы Шапиро о формировании культуры всадничества в России

N+1
«Я нашел свой путь в зрелом возрасте» «Я нашел свой путь в зрелом возрасте»

Как понять, где наша настоящая жизнь и когда не поздно начинать ее?

Psychologies
5 крутых фильмов про ниндзя и самураев 5 крутых фильмов про ниндзя и самураев

Рекомендуем брутальное кино со сверкающими катанами

GQ
Не хуже классики: 5 отличных российских фильмов о войне Не хуже классики: 5 отличных российских фильмов о войне

Российские картины о войне, которые ничем не уступают советской классике

Cosmopolitan
Как выглядят жены Дюжева, Бурковского и других звезд фильма «Тобол» Как выглядят жены Дюжева, Бурковского и других звезд фильма «Тобол»

Звезды фильма «Тобол», которые обрели свое счастье в реальной жизни

Cosmopolitan
«Друзья» снова вместе»: почему весь мир так ждет воссоединения героев «Друзья» снова вместе»: почему весь мир так ждет воссоединения героев

«Друзья» снова соберутся вместе, правда всего на один выпуск

Cosmopolitan
«На фото девочка 20 лет, не больше»: Юлия Ковальчук в трусиках изумила фанатов «На фото девочка 20 лет, не больше»: Юлия Ковальчук в трусиках изумила фанатов

Юлия Ковальчук раскрыла свои секреты идеальной фигуры

Cosmopolitan
Идеальная шашка: как выбирать Идеальная шашка: как выбирать

Кавалерия получила идеальное оружие тогда, когда оно уже было не нужно

Популярная механика
Формула идеального ужина Формула идеального ужина

Что, когда и сколько есть в конце дня

Reminder
Как аудиоформаты завоевывают рынок и зачем они нужны Как аудиоформаты завоевывают рынок и зачем они нужны

Что происходит с рынком аудиоформатов в России и за ее пределами?

СНОБ
«Друзья» на миллион: сколько актеры заработали на культовом шоу и новом эпизоде «Друзья» на миллион: сколько актеры заработали на культовом шоу и новом эпизоде

Как сериал «Друзья» стал одним из самых дорогих шоу в мире

Forbes
Прокремлевское «Знание». Зачем в России возрождают советское просветительское общество Прокремлевское «Знание». Зачем в России возрождают советское просветительское общество

Для чего в 2021 году решено перезапустить работу общества «Знание»?

СНОБ
Необычные способы заработать в кругосветном путешествии Необычные способы заработать в кругосветном путешествии

Делиться знаниями или сняться в кино – рассказываем, как подзаработать в дороге

National Geographic
Как хомячки выбирают себе пару Как хомячки выбирают себе пару

Моногамные калифорнийские хомячки вдумчиво подходят к выбору партнера

National Geographic
«Мы лидеры по качеству звука, но по-прежнему теряем позиции на рынке»: с чего начинала и к чему пришла Sennheiser «Мы лидеры по качеству звука, но по-прежнему теряем позиции на рынке»: с чего начинала и к чему пришла Sennheiser

Sennheiser пришлось бороться с Beats, Sony и Apple в сфере качества звука

VC.RU
Индейцы пуэбло невольно увеличили разнообразие растений в Юте Индейцы пуэбло невольно увеличили разнообразие растений в Юте

Американские археологи обнаружили 117 различных таксонов растений на 25 стоянках

N+1
Открыть в приложении