Введение мышам уникального для человека фрагмента генетического кода помогает им развивать более крупный мозг, установили ученые. Результаты их экспериментов опубликованы в журнале Nature.
Этот участок ДНК — последовательность, которая действует как регулятор, усиливающий экспрессию определенных генов, — увеличивает внешний слой мозга мышей за счет роста количества клеток, превращающихся в нейроны. Открытие может частично объяснить, как у людей в ходе эволюции развился такой большой мозг по сравнению с другими приматами.
Это исследование глубже предыдущих работ, пытавшихся раскрыть генетические механизмы развития человеческого мозга, считает биоинформатик Кэтрин Поллард из Института данных и биотехнологий Гладстона: «История здесь гораздо более полная и убедительная».
Усилитель роста мозга
«Мы до сих пор не знаем точно, как мозг человека утроился в размерах после эволюционного разделения с шимпанзе», — признался нейробиолог Габриэль Санпере Баро, изучающий геномику в Институте медицинских иследований Больницы дель Мар в Барселоне.
Предыдущие исследования указывали на то, что главную роль здесь сыграли зоны ускоренного развития у человека (human accelerated regions — HARs) — короткие участки генома, консервативные у млекопитающих, но быстро изменившиеся у людей. Однако точные механизмы их влияния остаются неясными, отмечает нейробиолог-эволюционист Дебра Сильвер из Университета Дьюка.
Объектом внимания исследователей стал один из них — HARE5, открытый десять лет назад. У мышей этот участок ДНК усиливает экспрессию гена Fzd8, который играет важную роль в развитии нейронов. Действие HARE5 сравнили у мышей, шимпанзе и людей.
Когда мышам заменили их версию HARE5 на человеческую, мозг животных к взрослому возрасту вырос на 6,5% крупнее, чем у обычных мышей. Усиление роста особенно выражено у радиальной глии — нейральных стволовых клеток — ускоряется их деление, что способствует образованию большего числа нейронов.
Пока неясно, улучшились ли у мышей с увеличенным мозгом когнитивные способности или память, подчеркнула Сильвер.
Маленькие изменения — большие различия
Сравнивая человеческий HARE5 с версией шимпанзе, ученые обнаружили четыре ключевые мутации, каждая из которых усиливала пролиферацию клеток.
Для изучения влияния HARE5 на развитие нейронов вырастили органоиды мозга с разными версиями этого гена. В моделях с HARE5 шимпанзе радиальная глия растет хуже, чем в человеческих, и клетки менее развиты. Выяснилось, что HARE5 усиливает ключевой сигнальный путь, стимулирующий рост нейральных стволовых клеток, что объясняет его роль в увеличении размера и сложности человеческого мозга.
Будущие исследования должны изучить, как эффекты HARE5 сочетаются с действием остальных ~3000 HARs у человека, говорит Баро: «Это генетическая сокровищница, которую нам еще предстоит исследовать».
Методы этого изучения разрабатываются. «Существует множество механизмов, которые сделали человеческий мозг таким, какой он есть», — резюмировала Сильвер.
Нейробиологи нашли ключевые различия в мозге между людьми и другими приматами
ДНК-эволюция: почему наш мозг обогнал обезьян, но стал уязвимым
Это исследование действительно открывает новые горизонты в понимании эволюции человеческого мозга. Введение уникального фрагмента генетического кода, который усиливает экспрессию определенных генов, позволяет мышам развивать более крупный мозг. Это может дать ключ к пониманию того, как и почему человеческий мозг стал таким большим по сравнению с мозгами других приматов.
Основные моменты исследования:
Уникальный участок ДНК (HARE5): Этот фрагмент, обнаруженный ранее, усиливает экспрессию гена Fzd8, который важен для развития нейронов. Замена мышиного HARE5 на человеческий приводит к увеличению объема мозга у мышей на 6,5%.
Роль радиальной глии: Увеличение числа нейронов связано с ускорением деления радиальной глии — нейральных стволовых клеток, что подчеркивает важность этого механизма в развитии мозга.
Ключевые мутации: Сравнение HARE5 человека и шимпанзе выявило четыре мутации, каждая из которых способствует пролиферации клеток, что может объяснять различия в развитии мозга между видами.
Будущие исследования: Ученые планируют изучить, как HARE5 взаимодействует с другими участками генома, известными как зоны ускоренного развития (HARs), чтобы получить полное представление о генетических механизмах, стоящих за развитием человеческого мозга.
Это исследование подчеркивает сложность и многообразие механизмов, которые влияют на эволюцию мозга, и открывает новые возможности для дальнейшего изучения генетики и нейробиологии.