Как изменение актинового цитоскелета приводит к микроцефалии

Актины — универсальные элементы цитоскелета, которые контролируют форму клетки, работу адгезионных контактов, динамику деления и миграцию. Мутации в генах ACTB и ACTG1, кодирующих β- и γ-цитоскелетные актины, приводят к синдрому Барайтсера—Винтера, который чаще всего сопровождается тяжелыми пороками развития коры головного мозга, включая микроцефалию и различные варианты пахигирии (нарушений формирования борозд). Несмотря на известную роль актинов в формировании клеточной архитектуры, механизмы, связывающие мутации этих генов с нарушениями раннего кортикогенеза, оставались неясными, особенно на тканевом уровне. Чтобы восполнить этот пробел, ученые из Германии и коллабораторы использовали органоиды мозга, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) двух пациентов с миссенс-вариантами в генах ACTB или ACTG1.

Исследователи подтвердили плюрипотентность иПСК и сформировали органоиды мозга. Дополнительно был создан изогенный контроль, в который с помощью CRISPR/Cas9 внесли тот же вариант гена ACTB, что и у пациента, для проверки причинно-следственной связи.

Органоиды из клеток пациентов оказались значительно меньшего размера, чем из клеток дикого типа, на 30-й и 50-й дни развития. РНК-секвенирование единичных клеток показало снижение доли радиальной глии и увеличение доли базальных клеток-прогениторов. Иммуногистохический анализ продемонстрировал нормальное распределение актинов в целом, однако морфология вентрикулярной зоны (ВЗ) была нарушена. У пациентов ВЗ была тоньше, с меньшими площадью и числом клеток, несмотря на сохраненную плотность ядер и отсутствие различий по уровню апоптоза.

Ключевым открытием стало то, что митотические апикальные клетки-прогениторы ВЗ резко изменяют ориентацию плоскости деления. В контроле большинство делений идет вертикально, что обеспечивает симметричную пролиферацию клеток ВЗ. В мутантных органоидах эти клетки почти полностью переходили к горизонтальной или наклонной ориентации плоскости деления, в результате дочерние клетки покидали ВЗ и превращались в базальные клетки-прогениторы вместо поддержания пула апикальных.

Электронная микроскопия выявила аномалии цитоскелета, такие как изменения формы клеточных контуров, частые мембранные протрузии, а также скопления микротрубочек у апикальной поверхности, чего не наблюдается в норме. Эти нарушения, вероятно, дестабилизируют ориентацию митотического веретена деления и тем самым искажают плоскость деления.

CRISPR-модель ACTB полностью воспроизвела фенотип пациента: уменьшение размера органоидов, истончение ВЗ, смещение ориентации плоскости делений и увеличение доли базальных прогениторов. Это подтверждает, что наблюдаемые дефекты вызваны именно мутацией актина, а не генетическим фоном.

Таким образом, мутации в ACTB и ACTG1 приводят к микроцефалии через фундаментальный клеточный механизм: нарушение ориентации плоскости митотического деления апикальных прогениторов. В результате уменьшается пул первичных нейрональных стволовых клеток, тогда как количество базальных прогениторов аномально возрастает. Эта ранняя дерегуляция кортикогенеза в органоидах хорошо объясняет уменьшенный объем коры у пациентов с синдромом Барайтсера—Винтера и демонстрирует, что органоиды мозга — важная модель для изучения актинопатий.

Размер головного мозга человека зависит от активности Wnt в эмбриогенезе