Astrocyty, uznawane za komórki opiekuńcze neuronów, zdają się mieć większą rolę w ewolucji mózgu, niż się do tej pory wydawało. Kompleksowe badania zespołu prof.  Aleksandry Pękowskiej, kierowniczki Centrum Dioscuri Biologii Chromatyny i Epigenomiki Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie, wskazują na geny i mechanizmy mające wkład w ten proces. Pracę grupy publikuje dziś prestiżowe "Cell Stem Cell”.

Astrocyty to komórki tzw. neurogleju, substancji, która w przeciwieństwie do neuronów nie przewodzi sygnałów elektrycznych (Ryc. 1). Astrocyty mają inne zadanie. Tworzą barierę krew-mózg oraz utrzymują prawidłowe środowisko w tkance tego organu poprzez m.in. regulowanie pH czy stężenia jonów. Ponadto dostarczają neuronom wszelkich substancji odżywczych i usuwają wydalone przez nie produkty przemiany materii.

Ponadto astrocyty sterują procesem powstawania i usuwania synaps oraz dostarczają substancji niezbędnych do produkcji neuroprzekaźników, które są kluczowe dla aktywności neuronów.  - Można więc je nazwać strażnikami mózgu.  Nie istnieje właściwie choroba neurologiczna, która nie byłaby związana z zaburzeniami w aktywności astrocytów – mówi prof. Pękowska.

Wcześniejsze badania wykazywały diametralne różnice w morfologii (wyglądzie) astrocytów mysich, małpich i ludzkich: komórki ludzkie są największe i najbardziej złożone spośród badanych gatunków (Ryc. 2). - Sugeruje to ewolucyjne zmiany w ich funkcji  – zauważa badaczka. Większy i bardziej rozwinięty mózg, posiada większe i bardziej „rozłożyste” astrocyty (Rys. 2).

Do tej pory prace naukowców były w dużej mierze czysto opisowe i koncentrowały się na astrocytach pochodzących od dojrzałych osobników. Zespół prof. Pękowskiej wybrał jednak komórki płodowe, gdyż okres płodowy życia człowieka to krytyczny czas dla rozwoju mózgu, wiele genów wpływających na funkcje poznawcze jest aktywnych wyłącznie lub już na tym etapie.

-Dlatego też skupiliśmy się na astrocytach płodowych. Pozyskiwaliśmy je z indukowanych komórek macierzystych, które w procesie różnicowania przekształcaliśmy się w astrocyty – mówi prof. Pękowska.

Wykorzystując transkryptomikę, czyli podejście całogenomowe, badacze porównali aktywność genów w astrocytach trzech badanych gatunków. – Odkryliśmy, że bardzo duży odsetek genów, silniej aktywnych u człowieka niż u szympansa czy makaka, może uczestniczyć w tworzeniu tzw. pęcherzyków zewnątrzkomórkowych, których, jak wykazujemy, ludzkie astrocyty produkują najwięcej – mówi prof. Pękowska.

Pęcherzyki te to mikroskopijne struktury biologiczne uwalniane przez komórki żywe do przestrzeni pozakomórkowej. Są we wszystkich płynach ustrojowych. Nie mają zdolności replikacji, a ich podstawową funkcją jest komunikacja międzykomórkowa.

- Pęcherzyki mogą przenosić przeróżne cząstki: białka, lipidy, DNA czy RNA. Istnieją doniesienia, że są ważne dla prawidłowego rozwoju neuronów. Ponieważ ich wpływ na same astrocyty jest niezbadany, postanowiliśmy przetestować jak pęcherzyki wydzielane przez astrocyty ludzkie wpływają na komórki makaka - opowiada badaczka. Okazało się, że komórki małpie rosną i stają się bardziej skomplikowane pod wpływem pęcherzyków ludzkich. - Oznacza to, że cząstki te przeniosły jakąś informację potencjalnie mającą wkład w ewolucję morfologii (wyglądu) astrocytów.  Ale nie znamy jeszcze mechanizmu leżącego u podstaw tego zjawiska – zaznacza prof. Pękowska.

W trakcie badań okazało się również, że geny związane z chorobami mózgu są częściej „wyciszone” niż „aktywowane” w astrocytach człowieka w porównaniu z komórkami naszych małpich pobratymców.  Wyciszanie tych genów, najprawdopodobniej zapewnia naszemu mózgowi dodatkowe funkcje. -Nie wiemy jeszcze jakie, ale ich zdobycie jest na tyle wartościowe, że nasz gatunek jest w stanie zapłacić za to wysoką cenę. Jest nią mniejsza możliwość buforowania jakichkolwiek zmian, które prowadzą do dalszego zmniejszenia aktywności tych genów. Jaką korzyść ewolucyjną daje nam zmniejszanie aktywności genów związanych z chorobami mózgu? To jest teraz przedmiotem naszych badań – mówi prof. Pękowska.

Jej zespół używając nowych technik badania struktury genomu oraz sztucznej inteligencji, we współpracy z prof. Bartoszem Wilczyńskim z Uniwersytetu Warszawskiego, wykazał również, że ewolucyjna aktywacja genów jest związana ze ściśle określonymi zmianami w sekwencji DNA.

Naukowcy z Instytutu Nenckiego dopiero rozpoczynają swoje badania odnośnie roli zmian w astrocytach w rozwoju funkcji poznawczych. A wypracowana przez nich platforma pozyskiwania i analizowania płodowych astrocytów małpich i ludzkich, o której jest mowa w publikacji „Cell Stem Cell”, otwiera wiele możliwości dalszych analiz.