Studie odhaluje konzervovaný vývoj a evoluční inovace v lidském hypotalamu

Hypothalamus je malá, ale kritická oblast na základně mozku, která ovládá autonom nervový systémReguluje tělesnou teplotu, signály hlad a žízeň, uplatňuje hormonální kontrolu nad hypofýzami, pomáhá stanovit cirkadiánní rytmy, ovlivňuje sexuální chování a reprodukci a hraje roli v instinktivním chování, jako je strach, agrese a mateřská vazba.

Navzdory své kompaktní velikosti má pozoruhodně komplexní strukturu a funkci spolu s extrémně rozmanitým škálem neuronálních typů. Zatímco o oblastech mozku je známo mnoho, jako je mozková kůra a mozečka, vývojové mechanismy a evoluční adaptace savčího hypotalamu zůstaly nepolapitelné.

V nové studii zveřejněné v Vývojová buňka Dne 8. dubna výzkumný tým vedený prof. Wu Qingfengem na Institutu genetiky a vývojové biologie Čínské akademie věd prokázal konzervovaný buněčný vývoj a evoluční inovace v rozvíjejícím se lidském hypothalamu.

Savský mozek se vyvíjí prostřednictvím sofistikované choreografické řady geneticky regulovaných událostí: formování zřetelných domén nervového progenitoru (časných mozkových buněk), produkující neurony z nervových progenitorů, vytvářející spojení mezi neurony a doladění jejich komunikace. Zatímco hypothalamus sleduje podobný plán, je možné dosáhnout jedinečné vývojové objížďky, aby bylo možné plnit své rozmanité funkce.

Dříve Wu a jeho tým navrhli „kaskádový diverzifikační model“, který vysvětlil, jak hypotalamus vytváří svou mimořádnou neuronální rozmanitost. Ukázali, že nervové progenitory, střední progenitory a rodící se neurony podél hierarchie linie přispívají k osudové diverzifikaci hypotalamických neuronů postupně.

V této nové studii tým Wu pečlivě zkoumal, jak jsou mozkové buňky v hypotalamu organizovány během vývoje, sledovaly, jak se různé typy buněk objevují z nervových progenitorů, jak mozek roste, a identifikoval, které genetické rysy byly konzervovány u savců a které se u lidí v průběhu evoluce jedinečně změnily.

Tato studie zvyšuje naše chápání toho, jak se hypotalamus vyvíjí tím, že přináší tři typy příspěvků: metodologické, související s zdroji a koncepční. Na základě metodologické strany vědci kombinovali několik pokročilých technik-buněčných analýz, sekvenování s jedním nukleusem a prostorovou transkriptomii, aby získali podrobný pohled na genovou aktivitu během vývoje mozku. Jako zdroj použili tato data k vytvoření prostorové mapy ukazující, kde jsou různé nervové progenitorové buňky umístěny ve vyvíjejícím se hypotalamu savců.

Pro koncepční příspěvek identifikovali tři konzervovaná morfogenetická centra (nazývaná „terciární organizátoři“), která vysílají signály, aby koordinovaly včasnou hypothalamickou regionalizaci a odhalily anteroposterior segmentaci hypothalamického primordu rodinou Fox Gene. Tato zjištění poskytují klíčové mechanistické vhled do procesu nervového vzorování upravujícího vývoj lidského a myšího hypotalamu.

Tým poté použil výpočetní metody k rekonstrukci neurogenního stromu linie a sledoval, jak se různé typy hypotalamických neuronů vyvíjejí z různých progenitorových oblastí. Identifikovali soubor konzervovaných liniových faktorů, které mohou tento vývojový proces vést. Kromě toho objevili odlišný neuronální podtyp jedinečný pro lidi, jejichž funkce není dosud známa, a pozorovali podstatné zvýšení exprese neuromodulačních genů-jako je ty, které kódují iontové kanály, receptory a neuropeptidy v lidských neuronech.

Prostorové mapování odhalilo, že neuroendokrinní neurony-specificky se typy GnRH a GHRH u lidí distribuovaly odlišně ve srovnání s myšími. To naznačuje, že struktura a funkce neuroendokrinního systému se v každém druhu vyvíjely odlišně, aby vyhovovaly jejich jedinečným potřebám.

Kromě toho srovnání hypothalamických dopaminových neuronů mezidruhové mezidruhy poskytlo důkaz důkazu konceptu pro potenciální posun v ko-přenosu dvojitého transmiteru (dopamin-gaba a dopamin-glutamát) a dopamin-avp a dopamin-avp a dopamin-avp a dopamin-ghRH) napříč druhy.

Tyto divergence mohou přispívat k fenotypovým rozdílům mezi druhy, jako jsou evoluční změny v učení odměn, motivované chování, vzor růstu těla a stresová reakce. Za účelem podpory těchto zjištění vyvinuli vědci rámce strojového učení pro rekonstrukci linie a inference regulační sítě, podporované transkriptomickými datovými soubory s vícedruhy.

Collectively, this study reveals conserved neural patterning mechanisms in mammalian hypothalamus development, reconstructs a neurogenic lineage tree, and identifies four adaptive evolutionary divergences in developing human neurons: a human-enriched neuronal subtype, enhanced neuromodulation, redistributed neuroendocrine neurons, and reconfigured neurochemistry in hypothalamic dopamine neurony.

Tato práce představuje první integrativní analýzu buněčné ontogeneze a evoluční divergence u vyvíjejícího se hypotalamu savců. Komplexní zjištění naznačují, že lidské subkortikální struktury mohou obecně přijímat konzervované strategie nervového vzorování, zatímco přizpůsobují složení neuronálního, prostorové rozložení, vstupní citlivost a stabilitu nervového výstupu na podporu pokročilého sociálního poznání a flexibility chování.

Inovace mezi hypothalamickými neurony odhalenými v této studii zvýší naše chápání buněčných mechanismů, které jsou základem fyziologických funkcí specifických pro člověka a zranitelnosti nemocí.