میمون تراریخته به عنوان مدلی برای مطالعه تکامل مغز انسان

محققان چینی و ایالات متحده میمون‌های تراریخته‌ای را ایجاد کرده‌اند که حامل یک ژن انسانی است که برای رشد مغز مهم است و میمون‌ها رشد مغزی شبیه انسان را نشان دادند.

دوشنبه، 18 بهمن 1400

تخمین زمان مطالعه:

مترجم : زهرا حاجی احمدی

مهندسی ژنتیک آینده اینجاست

موارد بیشتر برای شما

میمون تراریخته چیست؟

ANDi اولین میمون تراریخته است. ANDi، میمون رزوس قهوه ای رنگ و بازیگوش که در 2 اکتبر 2000 به دنیا آمد، برای حمل ژنی از گونه دیگری مهندسی شده است. این کار نشان می‌دهد که یک ژن خارجی می‌تواند در کروموزوم پستانداران قرار داده شود. محققان اورگان اولین میمون اصلاح شده ژنتیکی را ایجاد کردند.

محققان پیش‌بینی می‌کنند که قرار دادن ژن در میمون منجر به تولید مدل‌هایی برای بیماری‌های انسانی مانند آلزایمر، دیابت، بیماری‌های قلبی و چاقی شود که زمینه آزمایش قوی‌تری برای داروهای جدید، ژن‌درمانی و سلول‌های بنیادی اصلاح‌شده فراهم می‌کند. آنتونی چان، از مرکز تحقیقات پستانداران منطقه ای اورگان، می گوید: "هدف نهایی ما تولید مدل های بیماری انسانی است. نخستی ها آسیب شناسی انسانی را بهتر از موش ها نشان می دهند که در بسیاری از موارد تنها سیستم هایی هستند که ما برای مدل سازی بیماری های انسانی داریم".

هدف چان نشان دادن این بود که یک ژن خارجی می تواند در کروموزوم میمون وارد شود و یک پروتئین کاربردی تولید کند. ژن GFP به این دلیل انتخاب شد که پروتئینی که تولید می‌کند درخشش سبز فلورسنتی منتشر می‌کند که به راحتی از طریق میکروسکوپ قابل مشاهده است. چان می گوید در نهایت دانشمندان می خواهند ژن های بیماری انسانی را وارد کنند و پیشرفت بیماری را در میمون ها مطالعه کنند. نمونه های بافتی گرفته شده از گونه، مو، بند ناف و جفت ANDi تایید می کند که سلول ها حاوی ژن GFP و mRNA مربوطه هستند. با این حال، زمانی که بافت زیر میکروسکوپ بررسی شد، هیچ پروتئین سبز رنگی دیده نشد.

چان می‌گوید: "شاید مقدار پروتئین آنقدر کم باشد که قابل مشاهده نباشد یا شاید mRNA ترجمه نشده باشد". البته برخی از حیوانات تراریخته تا سال اول هیچ پروتئین خارجی تولید نمی کنند. چان و همکارانش برای ایجاد ANDi، 224 تخم رزوس بارور نشده را با یک ویروس حامل ژن GFP تزریق کردند. وظیفه ویروس ادغام ژن در یک مکان تصادفی در یکی از کروموزوم هاست. شش ساعت بعد، هر تخمک به طور مصنوعی با تزریق اسپرم بارور شد. تقریباً نیمی از تخمک های بارور شده رشد کرده و تقسیم شدند و به مرحله چهار سلولی رسیدند.

40 رویان انتخاب شدند و در 20 مادر جایگزین (دو نفر برای هر مادر) کاشته شدند. از این تعداد، سه نر سالم و دو نر دوقلو مرده به دنیا آمدند. ANDi تنها میمون زنده حامل ژن GFP بود. عجیب است که پروتئین فلورسنت سبز در هر دو نر مرده به دنیا آمده تولید شد.

موها و ناخن های پای آن ها در زیر نور فلورسنت درخشش سبز داشت. مشخص نیست که آیا مرگ آن ها به دلیل پروتئین بوده است یا به دلیل بارداری دوقلو که در رزوس نادر و خطرناک است. قبل از اینکه میمون هایی مانند ANDi حیوانات تحقیقاتی رایج در آزمایشگاه باشند، تحقیقات بسیار بیشتری لازم است.

چان می گوید: ""ما باید در تولید حیوانات تراریخته کارآمدتر شویم. ما باید یاد بگیریم که بهترین زمان برای تزریق ویروس چه زمانی است، چه مدت باید قبل از لقاح تخمک ها صبر کرد و چه زمانی رویان ها را کاشت. ما باید زمان بسیاری از مراحل را تنظیم کنیم و بهبودهای زیادی انجام دهیم".

مطالعه تکامل مغز انسان

اینکه چرا انسان ها دارای مغزهای بزرگ با توانایی های شناختی بالاتر هستند، سوالی است که مدت ها توسط دانشمندان پرسیده شده است. با این حال، بسیاری از مکانیسم‌های ژنتیکی ناشناخته باقی مانده است. با استفاده از یک مدل میمون تراریخته، دانشمندان نشان دادند که تغییرات توالی خاص یک ژن کلیدی رشد مغز (میکروسفالی اولیه 1، MCPH1) می‌تواند منجر به تغییرات مولکولی و شناختی قابل تشخیص مشابه نئوتنی انسان شود (یک ویژگی قابل توجه که در طول تکامل انسان ایجاد شده است).

این مطالعه در National Science Review منتشر شده است. فرضیه نئوتنی برای کمک به توضیح اینکه چرا ما با خویشاوندان نزدیکمان، مانند شامپانزه (پان تروگلودیت) تفاوت داریم، مطرح شده است. نئوتنی که به آن جوانی طولانی نیز می گویند، تاخیر یا کند شدن رشد فیزیولوژیکی یک گونه است. نئوتنی در انسان حفظ ویژگی های جوانی در بزرگسالی است و در مقایسه با پستانداران غیر انسانی اغراق آمیز است.

مغز انسان نئوتنوس یک پنجره گسترده برای انعطاف پذیری شبکه عصبی و بنابراین زمان طولانی تری برای یادگیری فراهم می کند که ممکن است برای شکل گیری شناخت انسان بسیار مهم باشد. در دو دهه گذشته، مطالعات ژنومی تطبیقی بسیاری از ژن‌های کاندید را شناسایی کرده‌اند که حامل تغییرات توالی خاص انسان هستند که به طور بالقوه به تکامل مغز انسان کمک می‌کنند. با این حال، تشریح عملکردی این ژن‌های کاندید، به ویژه پیامدهای فنوتیپی جهش‌های خاص انسان، وجود ندارد.

به عنوان یک ارگانیسم مدل، موش های تراریخته (Mus musculus) در مطالعه عملکرد مغز انسان استفاده شده است. به عنوان مثال، مطالعه Foxp2 که حامل دو تغییر اسید آمینه خاص برای انسان است. با این حال، در مقایسه با مغز انسان، مغز موش از نظر اندازه، ساختار، الگوی رشد و عملکرد به طور چشمگیری متفاوت است و بنابراین مدل ایده آلی برای مطالعه تکامل مغز انسان نیست. در مقابل، میمون رزوس (Macaca mulatta)، گونه پستانداران جهان قدیم که به طور گسترده در تحقیقات زیست پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد، به دلیل شباهت توالی بالا با انسان (بیش از 93 درصد برای ژن های کدکننده پروتئین)، و در عین حال فیلوژنتیک نسبتاً بزرگ، مدل حیوانی بهتری است.

فاصله (حدود 25 میلیون سال واگرایی از انسان)، که برخی از نگرانی های اخلاقی را کاهش می دهد. این مزایا در استفاده از مدل های میمون تراریخته بیماری های انسانی نشان داده شده است. MCPH1 یک ژن کلیدی تنظیم کننده رشد مغز در انسان است و جهش های کوتاه شده آن می تواند باعث میکروسفالی اولیه شود. به طور مشابه، ناک اوت MCPH1 در موش ها و میمون ها می تواند فنوتیپ میکروسفالی را خلاصه کند و نقش مهم آن را در رشد مغز پستانداران برجسته کند.

در تحقیقات قبلی، دانشمندان تغییرات سریع توالی پروتئین را در MCPH1 در طول تکامل پستانداران نشان دادند. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل عملکردی در شرایط آزمایشگاهی نشان داد که تغییرات MCPH1 خاص انسان منجر به واگرایی عملکردی بین پستانداران انسانی و غیر انسانی می‌شود.

چنین شواهدی این سوال را مطرح می‌کند که چه تغییرات فنوتیپی پس از معرفی نسخه‌های MCPH1 انسانی در ژنوم میمون رزوس ظاهر می‌شود. تجزیه و تحلیل تصویر مغز نشان داد که میمون های تراریخته دارای حجم مغز و ضخامت قشر مشابه گروه شاهد بودند، اما حجم نسبی مغز و درصد سلول های خاکستری آن ها بیشتر بود. نکته مهم این است که میمون‌های تراریخته در مقایسه با گروه شاهد، رشد ماده خاکستری قشر پوست را با تاخیر نشان دادند.

علاوه بر این، میمون‌های تراریخته نسبت به گروه شاهد، نورون‌ها بالغ‌ترو سلول‌های گلیال نابالغ‌تری داشتند که طبق داده‌های رونویسی، احتمالاً ناشی از سرکوب بسیاری از ژن‌های مرتبط با بلوغ نورون و تمایز نورون است. این مشاهدات بیشتر با تجزیه و تحلیل دقیق لایه های مغز در حال رشد در اوج نوروژنز در طول رشد جنین نشان داده شد. در نهایت، برای آزمایش اینکه آیا تأخیر مشاهده شده در رشد مغز تأثیری بر رفتار و شناخت داشته است یا خیر، دانشمندان حافظه فعال را در میمون‌های تراریخته با استفاده از وظایف تطبیق با نمونه با تأخیر آزمایش کردند.

قابل ذکر است، میمون‌های تراریخته حافظه کاری بهتر و زمان واکنش کوتاه‌تری نسبت به گروه‌های شاهد نشان می‌دهند، که نشان می‌دهد رشد مغز نئوتنی در میمون‌های تراریخته برای شکل‌گیری توانایی‌های شناختی مفید بوده و مزیت تکاملی پیشنهادی نئوتنی انسان را تأیید می‌کند.

دانشمندان قصد داردند در تحقیقات آینده:

مسیر مولکولی را بررسی کنند که توضیح می‌دهد چگونه کپی‌های MCPH1 انسان رشد مغز و بلوغ عصبی را به تاخیر می‌اندازد، بنابراین ژن‌های مرتبط با نئوتنی را شناسایی کنند
برای درک بیشتر چگونگی تأثیر مغز نئوتنوس بر شکل گیری شناختی در میمون های تراریخته، آزمایش های پیچیده تری را اعمال کنند.

این مطالعه نشان دهنده اولین تلاش برای استفاده از مدل میمون تراریخته برای مطالعه تکامل مغز انسان است. همچنین اولین شواهد ژنتیکی مولکولی را نشان می دهد که تغییرات نئوتنوز را در طول رشد مغز ناشی از جهش های اختصاصی یک ژن برای انسان نشان می دهد. نتایج پتانسیل بزرگ مدل‌های پستانداران غیرانسانی را در مطالعه تکامل انسان نشان می‌دهد و ممکن است راه را برای مطالعات آینده برای کشف مکانیسم‌های ژنتیکی صفات خاص انسان و روشن کردن علت شناسی اختلالات مغزی انسان مانند اوتیسم و بیماری آلزایمر هموار کند.

مزایای استفاده از میمون تراریخته مدل

میمون ها از نظر ژنتیکی بیشتر از جوندگان شبیه انسان هستند. در نتیجه، طول عمر، متابولیسم و فیزیولوژی مشابهی با انسان دارند. به این دلایل، میمون‌ها احتمالاً مدل‌های بهتری برای نظارت بر پیشرفت بیماری و اثربخشی داروهای آزمایشی خواهند بود.

میمون ها از نظر ژنتیکی بیشتر از جوندگان شبیه انسان هستند. در نتیجه، طول عمر، متابولیسم و فیزیولوژی مشابهی با انسان دارند. به این دلایل، میمون‌ها احتمالاً مدل‌های بهتری برای نظارت بر پیشرفت بیماری و اثربخشی داروهای آزمایشی خواهند بود. میمون‌های تراریخته با ژن هانتینگتین جهش یافته، فنوتیپ هانتینگتون (HD) را به انسان نزدیک‌تر نشان می‌دهند و بیش از هر مدل حیوانی HD دیگری تا به حال، علائم فیزیکی، رفتاری و شناختی بیماری را منعکس می‌کنند.

انواع تست های رفتاری و شناختی برای ارزیابی میمون ها استفاده می شود. یکی از این آزمایش‌ها مقیاس مدل پریمات HD است که از مقیاس HD مورد استفاده برای انسان اصلاح شده است. این مقیاس از 0 تا 80 متغیر است که در آن 80 شدیدترین علائم را توصیف می کند و برای ردیابی تعداد حرکات غیرارادی در رزوس تراریخته استفاده می شود.

این آزمایش نشان می‌دهد که میمون‌ها دیستونی را واضح‌تر از بسیاری از مدل‌های موش HD نشان می‌دهند. علاوه بر آزمایش‌های فیزیکی، از روش‌های غیرتهاجمی fMRI برای نظارت بر تخریب عصبی، و ادغام‌های هانتینگتین داخل هسته‌ای و همچنین سایر ویژگی‌های بیماری در سطح عصبی استفاده می‌شود.

میمون‌ها مغز بزرگ‌تری نسبت به جوندگان دارند، بنابراین تغییرات عصبی را می‌توان با دقت بیشتری بررسی کرد. علاوه بر این، یک خط زایا از سلول های بنیادی پرتوان ماکاک با ژن هانتینگتین جهش یافته ساخته شده است و در حال حاضر توسط همین محققان در حال مطالعه است.

این سلول‌های بنیادی می‌توانند به نورون تبدیل شوند که سپس می‌تواند علائم عصبی بیماری را نشان دهد. نگرانی‌های اخلاقی مانع از ایجاد یک خط نطفه‌ای انسانی مشابه شده است، بنابراین میمون‌های رزوس تراریخته هم راهی در داخل بدن و هم در شرایط آزمایشگاهی برای مطالعه پیشرفت عصبی HD فراهم می‌کنند.

معایب استفاده از میمون تراریخته مدل

بسیاری از مزایای مدل های میمون با مشکلات آن ها دست به دست می شود. مدل‌های پریمات گران‌تر هستند، زمان بیشتری را صرف می‌کنند و نگرانی‌های اخلاقی بیشتری نسبت به مدل‌های موش ایجاد می‌کنند. به عنوان مثال رزوس هر بار یک بچه دارد، دوره بارداری 150 تا 160 روز و بلوغ طولانی 3 تا 4 سال است.

محدودیت ها و نیروی کار موجود در تولید مثل طبیعی و مصنوعی هزینه میمون های تراریخته را به طور قابل توجهی بالاتر از موش های تراریخته می کند. به طور مشابه، میمون ها بسیار بزرگتر از موش ها هستند، بنابراین هزینه های مسکن و غذای آن ها گران تر است. از آنجایی که میمون‌ ها چندین سال پس از تولد علائم HD را نشان می‌دهند، این هزینه‌ها برای میمون ‌ها به‌طور تصاعدی بیشتر از هزینه‌ های موش است. از آنجایی که ماکاک ها و مارموست ها از نظر احساسات، شناخت و رفتار شبیه انسان هستند، استفاده از میمون ها در تحقیقات آزمایشگاهی نگرانی های اخلاقی و علاقه رسانه ای بیشتری را نسبت به مدل های حیوانی دیگر ایجاد می کند.

میمون ها با دستورالعمل ها و رویه های اخلاقی سختگیرانه ای که توسط موسسه ملی بهداشت و کمیته مراقبت و استفاده از حیوانات سازمانی تعیین شده است، محافظت می شوند. استفاده از میمون ها در تحقیقات بیشتر از جوندگان باعث جلب توجه عمومی می شود که می تواند توجه مثبت و منفی را به تحقیقات پستانداران تراریخته و تحقیقات مدل حیوانات HD به طور کلی جلب کند. انواع مختلف میمون ها مزایا و معایب خود را دارند. ماکاک رزوس به انسان وابسته است، اما ویژگی‌های تولیدمثلی این ماکاک آن را به یک مدل جذاب تبدیل می‌کند.

ماکاک می تواند 80 بچه در طول عمر خود داشته باشد، در مقایسه با 10 فرزند برای ماکاک معمولی. مارموست همچنین حاملگی کوتاه‌تری و بلوغ جنسی سریع‌تری دارد که شاید مدل مارموست را به مدل کارآمدتری برای مطالعه HD تبدیل می‌کند. مارموست همچنین کوچکتر است و مسکن و تغذیه آن ها را از نظر اقتصادی قابل مدیریت تر می کند.

با این حال، مارموست مغز کوچک تری دارد که ردیابی تخریب عصبی در MRI را دشوارتر می کند. هر دوی این گونه‌های میمون حاملگی طولانی‌تر، دوره‌های بلوغ و فرزندان کمتری نسبت به موش ماده دارندد. با این حال، مدل‌های حیوانی که بیشتر شبیه انسان هستند، نه تنها می‌توانند اکتشافات در این زمینه را تسریع کنند، بلکه می‌توانند به طور بالقوه تعداد کل مدل‌های حیوانی مورد نیاز در تحقیقات را کاهش دهند.

منبع: لی شی، Chinese Academy of Sciences