Исследование проливает свет на генетические изменения, определившие эволюцию человеческого мозга

Новое исследование Йельского университета дает более полное представление о генетических изменениях, сформировавших эволюцию человеческого мозга, и о том, как этот процесс отличался от эволюции шимпанзе.

В исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые сосредоточились на классе генетических переключателей, известных как Зоны ускоренного развития у человека (Human accelerated regions, HAR-области), которые регулируют, когда, где и на каком уровне экспрессируются гены в ходе эволюции.

Хотя в прошлых исследованиях предполагалось, что HAR-области могут действовать, контролируя разные гены у людей по сравнению с шимпанзе, нашим ближайшим родственником-приматом, новые результаты показывают, что HAR точно настраивают экспрессию генов, которые уже являются общими для людей и шимпанзе, влияя на рождение, развитие и связь нейронов друг с другом.

Используя передовые методы, исследователи также смогли проследить, как HAR взаимодействуют с генами и нейронными стволовыми клетками человека, что позволило им определить генные мишени почти для всех HAR — значительный прогресс в изучении эволюции человека.

По словам Джеймса Нунана, профессора генетики в Йельской школе медицины, возглавлявшего исследование, это открытие дополняет растущее понимание того, как генетические изменения, возникшие в ходе эволюции, сделали нас людьми, и значительно расширяет знания о том, какие гены контролировались HAR.

«Результаты показывают, что HAR в основном регулируют одни и те же гены у обоих видов, особенно те, которые участвуют в развитии мозга», — сказал Джеймс Нунан. «Однако у людей HAR регулируют уровни экспрессии генов по-разному, что позволяет предположить, что эволюционные изменения в работе мозга возникли не за счет изобретения новых генетических путей, а путем модификации их результатов».

Лаборатория Джеймса Нунана сосредоточена на том, чтобы понять, как HAR способствуют эволюции уникальных особенностей человеческого мозга. В предыдущих работах команда показала, что некоторые HAR-области изменяют экспрессию генов специфически для человека, по сравнению с нашими ближайшими родственниками-приматами.

По словам ученых, последнее исследование значительно расширяет понимание биологических изменений, которые могли быть вызваны HAR. Хотя количество HAR в геноме человека было установлено, ранее было мало информации о том, какие гены они контролируют; предыдущие исследования выявили генные мишени только для 7-21% HAR.

Вероятно, это объясняется тем, что в предыдущих исследованиях использовались менее точные методы, говорит Джеймс Нунан. А из-за особенностей данных исследователи ранее могли оценить идентичность лишь небольшой части генов-мишеней HAR, включая те, которые, возможно, вообще не были мишенями.

В новом исследовании команда Йельского университета использовала передовые методы для трехмерного картирования генома, чтобы проследить, как HAR взаимодействуют с генами в нейрональных стволовых клетках человека и шимпанзе. Это позволило выявить гены-мишени для почти 90 % всех HAR.

«Обладая более полной картиной, мы открываем перед учеными новые возможности», — говорит Атрейо Пал, аспирант факультета генетики Йельского университета и первый автор исследования.

Многие гены-мишени HAR активны в развивающемся мозге человека и связаны с такими процессами, как формирование нейронов и поддержание связи между ними. Некоторые из них также связаны с такими заболеваниями, как аутизм и шизофрения, что подчеркивает потенциальную роль HAR как в формировании нормальной работы мозга, так и в развитии неврологических расстройств.

«Наши результаты также показывают, что гены-мишени HAR экспрессируются в определенных типах клеток в развивающемся человеческом мозге, включая типы клеток, которые, возможно, способствуют увеличению размера нашего мозга», — говорят ученые.

«Раньше мы не знали, что представляют собой многие гены, которые контролируются HAR, и каковы их биологические функции. У нас не было полной картины. Теперь это открывает перед нами множество новых возможностей понять, как HAR способствовали эволюции мозга».