Случайное событие, произошедшее когда-то давно, навсегда изменило человеческий мозг

Подобно заветным рецептам, передаваемым из поколения в поколение, есть лишь некоторые области ДНК, которые эволюция не осмеливается изменить. Например, млекопитающие повсюду имеют множество таких закодированных последовательностей, которые оставались нетронутыми в течение миллионов лет.

Но люди (Homo sapiens) — странное исключение. По какой-то причине рецепты, давно хранимые нашими древними предками, за короткий эволюционный промежуток времени вдруг «оживились».

Поскольку мы — единственный вид, у которого эти области были переписаны так быстро, их называют «ускоренными человеческими областями» (или HAR). Более того, ученые считают, что по крайней мере некоторые HAR могут быть причиной многих качеств, которые отличают людей от наших близких родственников, таких как шимпанзе и бонобо.

Во главе с вычислительным биологом Кэти Поллард, группа ученых определила HAR почти два десятилетия назад при сравнении геномов человека и шимпанзе.

В новом исследовании команда Поллард обнаружила, что трехмерная укладка ДНК человека в ядре является ключевым фактором в этот поворотный момент для нашего вида.

Представьте отрезок ДНК нашего последнего общего предка с шимпанзе в виде длинного шарфа, обернутого вокруг вашей шеи, с полосами разных цветов, пересекающими его ткань по всей длине.

А теперь представьте, что кто-то пытался сделать точно такой же шарф, но не совсем по оригинальной схеме. Некоторые полосы уже, некоторые шире, а некоторые имеют цвета в другом порядке, чем в оригинале.

Когда вы наматываете этот новый шарф на шею так же, как и в оригинале, полосы, расположенные рядом друг с другом в петле, уже не те же.

Как и в этом шарфе, большая разница между ДНК человека и шимпанзе носит структурный характер: большие фрагменты строительных блоков ДНК были вставлены, удалены или перестроены в геноме человека. Таким образом, ДНК человека укладывается в ядре иначе, чем ДНК других приматов.

Команда ученых исследовала, могли ли эти структурные изменения в ДНК человека и ее измененная трехмерная укладка привести к «захвату» определенных генов в HAR, связывая их с другими генами, кодирующими белок, к которым они были применены изначально.

Многие гены внутри HAR связаны с другими генами, действуя как энхансеры (что означает, что они увеличивают транскрипцию связанных с ними генов).

«Энхансеры могут влиять на активность любого гена, который оказывается рядом, что может варьироваться в зависимости от того, как свернута ДНК».

В исследовании, опубликованном ранее в этом году, группа Поллард создала модель, предполагающую, что быстрые вариации, появлявшиеся в HAR у ранних людей, часто противоречили друг другу, меняя активность энхансера вверх и вниз в своего рода генетической тонкой настройке — модель, поддерживаемая их новую работу.

В своем последнем исследовании ученые сравнили геномы 241 вида млекопитающих, используя машинное обучение, чтобы справиться с большим объемом данных.

Они идентифицировали 312 HAR и исследовали, где они расположены в трехмерных «окрестностях» свернутой ДНК. Почти 30 процентов HAR были в областях ДНК, где структурные вариации привели к тому, что геном у людей складывался иначе, чем у других приматов.

Ученые также обнаружили, что районы, содержащие HAR, были богаты генами, которые отличают людей от наших ближайших родственников, шимпанзе.

В эксперименте, в котором сравнивали ДНК в растущих стволовых клетках человека и шимпанзе, одна треть идентифицированных HAR была транскрибирована специфически во время развития неокортекса человека.

Многие HAR играют роль в развитии эмбриона, особенно в формировании нервных путей, связанных с интеллектом, чтением, социальными навыками, памятью, вниманием и концентрацией внимания — чертами, которые, как мы знаем, у людей явно отличаются от других животных.

В HAR эти гены-энхансеры, не менявшиеся в течение миллионов лет, возможно, должны были адаптироваться к их различным генам-мишеням и регуляторным доменам.

«Представьте, что вы энхансер, контролирующий уровень гормонов в крови, а затем ДНК складывается по-новому, и вдруг вы сидите рядом с геном нейротрансмиттера и вам нужно регулировать химический уровень в мозгу, а не в крови», — говорит Кэти Поллард.

«Происходит что-то важное, например, это массивное изменение в сворачивании генома, и наши клетки должны быстро исправить это, чтобы избежать эволюционного недостатка».

Мы еще точно не понимаем, как эти изменения повлияли на определенные аспекты развития нашего мозга и как они стали неотъемлемой частью ДНК нашего вида. Хотя ученые планируют углубиться в эти вопросы.

Но их исследования до сих пор показывают, насколько уникальной – и маловероятной – на самом деле является эволюция человеческого мозга.