1036
Человеческий мозг – одна из самых сложных структур в природе, отличающая наш вид от всех остальных. Понимание того, как он эволюционировал, остается одним из интереснейших вопросов науки. Новое исследование Йельского университета предлагает свежий взгляд на эту тайну, изучая конкретные генетические изменения, повлиявшие на развитие мозга. Изучая класс генетических регуляторов, известных как ускоренные человеческие регионы (HARs), ученые выяснили, как эти последовательности тонко настраивают экспрессию генов. Полученные результаты бросают вызов предварительным представлениям и выявляют гораздо более сложный механизм. Это исследование не только усугубляет знания об эволюции человека, но и проливает свет на состояния, связанные с работой мозга, в частности аутизм и шизофрению.
Роль человеческих ускоренных регионов
HARs – это участки ДНК, которые эволюционировали гораздо быстрее у людей, чем у других видов. Они регулируют активность генов, определяя когда, где и в каком количестве эти гены экспрессируются. Ученые давно подозревали, что HARs сыграли ключевую роль в формировании человеческого мозга, но их точное влияние оставалось неясным. Предыдущие исследования предполагали, что HARs могут управлять разными генами у людей и шимпанзе, наших ближайших родственников. Однако новое исследование рисует другую картину. Вместо изменения набора управляемых генов, HARs, похоже, регулируют активность существующих генов, влияя на формирование, рост и взаимодействие нейронов. Этот тонкий, но мощный механизм, вероятно, способствовал развитию уникальных когнитивных способностей человека.
Генетические взаимодействия в мозге человека
Чтобы понять влияние HAR, исследовательская группа применила передовые методы для изучения их взаимодействия с генами и нейрональными стволовыми клетками. Исследование возглавил Джеймс Нунан, профессор генетики в Йельской медицинской школе.
«Результаты показывают, что HARs в основном регулируют те же гены у людей и шимпанзе, особенно отвечающие за развитие мозга. Однако HARs изменяют уровни экспрессии генов у людей, что свидетельствует о том, что эволюционные изменения функций мозга возникли не из-за создания новых генетических путей, а из-за коррекции их работы», — объяснил Нунан.
Эволюция мозга происходила из-за тонкой настройки экспрессии генов, а не из-за создания новых путей. Это открытие бросает вызов древним теориям и открывает новые направления исследований.
Определение целевых генов
Понимание того, какие гены регулируются HARs, является ключевым для раскрытия их роли в эволюции. Ранее ученые могли определить целевые гены только для небольшой доли HARs – от 7 до 21%. Это ограничение возникало из-за технологических затруднений. Предыдущие исследования использовали менее точные методы, поэтому сложно было точно определить, какие гены контролируются HARs.
Картографирование человеческого мозга
Чтобы побороть эти трудности, команда Йельского университета применила инновационный метод трехмерного картографирования генома. Этот подход позволил им отследить взаимодействие HARs с генами в нейрональных стволовых клетках человека и шимпанзе. Благодаря этому исследователи смогли идентифицировать целевые гены почти для 90% всех HARs – значительный прорыв в этой области.
"Получив более полную картину, теперь открывается огромное поле для дальнейших исследований", - отметил Атрейо Пал, аспирант генетики Йельского университета и первый автор исследования.
Раннее развитие мозга и психическое здоровье
Многие гены, регулируемые HARs, активны на ранних этапах развития мозга. Они оказывают влияние на формирование нейронов, направляют их рост и обеспечивают правильную коммуникацию между клетками мозга. Некоторые гены, контролируемые HARs, связаны с такими неврологическими расстройствами, как аутизм и шизофрения. Это свидетельствует о том, что хотя HARs сыграли ключевую роль в эволюции человеческого мозга, они также могли способствовать развитию психических нарушений.
«Наши результаты показывают, что целевые гены HARs экспрессируются в определенных клеточных типах в мозге, в том числе в тех, которые могли способствовать увеличению его размера», — добавил Пал.
Новые возможности для исследований
Открытие дополнительных целевых генов HAR знаменует собой поворотный момент в изучении эволюции человека. Теперь у ученых есть более четкое представление о том, как генетические изменения влияли на развитие мозга.
«Раньше мы не знали, какие гены контролируются HARs или какие их биологические функции. У нас не было полной картины. Теперь это открывает новые возможности для понимания того, как HARs повлияли на эволюцию мозга», — подчеркнул Нунан.
Благодаря новым методам и расширенной базе знаний исследователи смогут глубже изучить вопросы человеческого интеллекта, функционирования мозга и сформировавших наш вид генетических механизмов. Это исследование является важным шагом к раскрытию генетического кода, который сделал нас уникальным биологическим существом. Исследование опубликовано в журнале Ячейка.
