Ученые выяснили, как разошлась эволюция мозга человека и шимпанзе

Новое исследование Йельского университета дает более полную картину генетических изменений, сформировавших эволюцию человеческого мозга, и того, чем этот процесс отличался от эволюции шимпанзе.

В исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые сосредоточились на классе генетических переключателей, известных как человеческие ускоренные регионы (HAR), которые регулируют, когда, где и на каком уровне гены экспрессируются в ходе эволюции.

В то время как предыдущие исследования предполагали, что HAR могут действовать, контролируя различные гены у людей по сравнению с шимпанзе, нашими ближайшими родственниками-приматами, новые результаты показывают, что HAR тонко настраивают экспрессию генов, которые уже являются общими у людей и шимпанзе, влияя на то, как нейроны рождаются, развиваются и взаимодействуют друг с другом.

Используя передовые методы, исследователи также смогли отследить, как HAR взаимодействуют с генами и нервными стволовыми клетками человека, что позволило им идентифицировать гены-мишени почти для всех HAR, что является значительным достижением в изучении эволюции человека.

«Это открытие дополняет растущее понимание того, как генетические изменения, возникающие в ходе эволюции, сделали нас людьми, и значительно расширяет знания о том, какие гены контролируются HAR», — сказал Джеймс Нунан, профессор генетики имени Альберта Э. Кента в Йельской школе медицины, который руководил исследованием. 

«Результаты показывают, что HAR в значительной степени регулируют одни и те же гены у обоих видов, особенно те, которые участвуют в развитии мозга», — сказал Нунан. «Однако HAR по-разному регулируют уровни экспрессии генов у людей, что позволяет предположить, что эволюционные изменения в работе мозга возникли не путем переосмысления генетических путей, а путем модификации их выходных данных».

Лаборатория Нунан сосредоточена на понимании того, как HAR способствуют эволюции уникальных особенностей человеческого мозга. В предыдущей работе команда показала, что некоторые HAR изменяют экспрессию генов специфическими для человека способами по сравнению с нашими ближайшими родственниками-приматами. Последнее исследование значительно расширяет понимание биологических изменений, которые могли быть вызваны HAR, говорят исследователи. Хотя количество HAR в геноме человека было установлено, ранее имелось ограниченное знание о том, какие гены они контролируют; предыдущие исследования идентифицировали генные мишени только для примерно 7–21 % HAR.

Вероятно, это связано с тем, что предыдущие исследования использовали менее точные методы, говорит Нунан. И из-за характера данных исследователи ранее могли оценить идентичность только небольшой части целей генов HAR, включая некоторые, которые могли вообще не быть целями.

Для нового исследования команда Йельского университета использовала передовые методы для картирования генома в трех измерениях, чтобы отслеживать, как HAR взаимодействуют с генами в нервных стволовых клетках человека и шимпанзе. Это позволило им идентифицировать генные цели для почти 90% всех HAR.

«Более полная картина открывает перед учеными новые горизонты возможностей», — сказал соавтор исследования Атрейо Пал из Йельского университета.

Многие целевые гены HAR активны в развивающемся мозге человека и связаны с такими процессами, как формирование нейронов и поддержание связи между нейронами. Некоторые также связаны с такими состояниями, как аутизм и шизофрения, что подчеркивает потенциальную роль HAR как в формировании нормальной функции мозга, так и в неврологических расстройствах.

«Наши результаты также показывают, что целевые гены HAR экспрессируются в определенных типах клеток в развивающемся мозге человека, включая типы клеток, которые могли способствовать увеличению размера нашего мозга», — заключил Пал.

Нунан добавил: «Раньше мы не знали, что такое многие из генов, контролируемых HAR, или каковы их биологические функции. У нас не было полной картины. Теперь это открывает для нас много новых путей понимания того, как HAR способствовали эволюции мозга».