Повернуть время вспять, чтобы проследить эволюцию живых существ, невозможно, но ее ход можно смоделировать. Недавно таким способом ученым удалось понять, какие изменения в человеческой ДНК обеспечили уникальность нашего мозга
Как известно, ДНК человека и шимпанзе различаются всего на один процент, но этот процент, очевидно, очень важен. Он включает и 49 сегментов генома под названием HAR (human accelerated regions – что-то вроде «области ускоренного развития человека»), открытые в 2006 г. при сравнительном анализе геномов. Позже выяснилось, что большинство HAR – это не гены как таковые, т.е. не кодирующие белок нуклеотидные последовательности, а энхансеры – регуляторные области генома.
Последовательности HAR у млекопитающих практически не менялись на протяжении очень долгого времени, пока не изменились скачкообразно, приобретя множество нуклеотидных замен. Случилось это дважды: сначала у первых предков человека в момент расхождения с шимпанзе, а затем при переходе от архаичных гомининов к человеку современного типа.
HAR, как и другие уникальные области генома человека, могут быть ответственны за наши не менее уникальные когнитивные навыки. А также за побочные явления тех же изменений в виде психических расстройств, таких как шизофрения и аутизм. В эту гипотезу укладывается тот факт, что в этих регионах расположены участки, ассоциированные с психическими заболеваниями.
Ученые из США попробовали найти ответ на вопрос: почему эти фрагменты ДНК так сильно изменились, и как отличаются разные варианты HAR по своей регуляторной способности? Для этого они использовали методы компьютерного моделирования и машинного обучения. На первом этапе в программу ввели несколько сотен различных ДНК-последовательностей ДНК, кодирующих энхансеры, активные в человеческом мозге, чтобы она научилась распознавать, относится ли к ним тот или иной ее участок. На следующем этапе программа определила, что около трети HAR работает в предшественниках нервных клеток, регулируя развитие мозга.
Исследователи ожидали, что изменчивость в пределах одного такого HAR будет направлена на изменение его активности в направлении увеличения различий между человеком и шимпанзе. Но это оказалось не так. Еще одна программа, «подучившись», предсказала, что 43% HAR имеют два или более генетических варианта с сильными противоположными эффектами. То есть в пределах одной и той же последовательности HAR одни варианты делали его заметно сильнее, а другие – слабее.
Ученые подтвердили этот вывод машинного интеллекта экспериментально с помощью метода массового параллельного репортерного анализа. Он заключается в оценке уровня активности гена-маркера, находящегося под контролем регуляторного элемента (в данном случае – одного из вариантов HAR) в составе искусственной генетической конструкции. Результаты этих экспериментов с более 700 HAR, активных в предшественниках нервных клеток мозга человека и шимпанзе, совпали с «машинными» предсказаниями.
Похоже, что изменения, первоначально возникшие в HAR, привели не только к улучшению когнитивных функций человека, но и открыли «ящик пандоры» – побочные эффекты в виде психических заболеваний. В этом смысле последующие мутации стали компенсаторными, направленными на снижение этих рисков.
Исследования работы областей генома, сделавших нас людьми, не только дают нам новые знания об эволюции человека, но и могут помочь в разработке способов борьбы с душевными болезнями.