Тот же инструмент, другие настройки: генетический секрет большого мозга

Ученые из Дрезденского технического университета под руководством профессора Марейке Альберт выяснили, что увеличение человеческого мозга связано не с появлением новых генов, а с изменением активности почти 600 генетических переключателей, управляющих работой общих с обезьянами генов. Исследование, проведенное на выращенных из стволовых клеток мини-мозгах человека, шимпанзе и гориллы, опубликовано в журнале Nature Communications.

Человеческий мозг, пожалуй, самая сложная структура, известная науке, и его эволюционное расширение остается одной из самых интригующих загадок биологии. Особый интерес вызывает неокортекс — область, отвечающая за абстрактное мышление, долгосрочное планирование и речь. У человека он заметно крупнее, чем у ближайших родственников, шимпанзе и гориллы. Долгое время ученые искали объяснение в уникальных человеческих генах, но картина оказалась тоньше и изящнее: дело не в том, какие гены у нас есть, а в том, как мы их используем.

Изучать развитие мозга человекообразных обезьян напрямую невозможно, эти животные находятся под угрозой исчезновения и строго охраняются, а развивающаяся мозговая ткань попросту недоступна для исследований по этическим причинам. Именно поэтому команда исследователей обратилась к органоидам — крошечным трехмерным структурам, которые выращивают из стволовых клеток и которые по своему строению напоминают ранние стадии развития неокортекса. Вырастив такой «мини-мозг» из клеток человека, шимпанзе и гориллы, исследователи получили беспрецедентную возможность заглянуть в тот период развития, который иначе остался бы для науки закрытым.

Геномы человека и человекообразных обезьян совпадают на 98–99 процентов, однако одинаковые гены вовсе не означают одинакового их использования. Сравнив активность генов в нейральных стволовых клетках развивающихся органоидов, ученые обнаружили почти 600 генетических переключателей — коротких последовательностей ДНК, которые включают и выключают гены, работающих у человека заметно активнее, чем у шимпанзе и горилл.

Многие из этих переключателей управляли генами, отвечающими за форму клетки, в частности за отращивание длинных разветвленных отростков. Когда исследователи отключили два таких гена, FAM107A и CNGA3, в человеческих органоидах, стволовые клетки стали менее ветвистыми, а в одном случае произвели меньше нейронов. Это согласуется с гипотезой о том, что более разветвленные стволовые клетки лучше улавливают сигналы окружающей среды, чаще делятся и в итоге дают начало большему числу нейронов, а значит, и более крупному мозгу.

По словам профессора Альберт, полученные данные меняют привычный взгляд на эволюцию человека: человеческий мозг делает особенным не уникальный набор генов, а иная настройка общего с обезьянами генетического инструментария. Органоиды, подчеркивают авторы, открывают окно в ту стадию развития, которую прежде нельзя было изучать, и позволяют наконец приблизиться к ответу на вопрос, что делает нас людьми, на уровне отдельных клеток и генов.

В результате работа показывает, что ключ к эволюционному увеличению человеческого неокортекса не новые гены, а усиление активности регуляторных участков ДНК, которые придают нейральным стволовым клеткам более разветвленную форму и тем самым способствуют образованию большего числа нейронов; иными словами, люди и обезьяны пользуются почти одним и тем же набором генов, но с разными настройками.