ДНК неандертальцев помогает объяснить, почему наши лица выглядят по-другому

Каждое человеческое лицо уникально, что позволяет нам различать людей. Мы мало знаем о том, как черты лица кодируются в нашей ДНК, но мы можем узнать больше о том, как развиваются наши лица, глядя на наших древних родственников, неандертальцев. 

Лица неандертальцев сильно отличались от наших собственных, с большими носами, выраженными бровями и массивной нижней челюстью. Теперь ученые из отдела генетики человека MRC в Институте генетики и рака в Эдинбургском университете, Великобритания, используют ДНК наших вымерших дальних родственников, чтобы узнать больше о том, как развиваются и эволюционируют лица. Опубликованные в журнале Development, они показывают, как область ДНК неандертальца лучше активирует ген, формирующий челюсть, чем человеческий аналог, раскрывая одну из возможных причин более крупных нижних челюстей неандертальца.

Ханна Лонг (Эдинбургский университет, Великобритания), возглавлявшая исследование, объясняет, что учёные секвенировали геном неандертальца, используя ДНК, выделенную из древней кости, и говорит: «Геном неандертальца на 99,7% идентичен геному современных людей, и различия между видами, вероятно, ответственны за изменение внешности». Геномы как человека, так и неандертальца состоят примерно из 3 миллиардов букв, которые кодируют белки и регулируют использование генов в клетке, что делает поиск областей, влияющих на внешность, похожим на поиск иголки в стоге сена. Но Лонг и её коллеги знали, где искать в первую очередь: в области генома, связанной с последовательностью Пьера Робина, синдромом, при котором нижняя челюсть непропорционально маленькая. 

«У некоторых людей с последовательностью Пьера Робина есть обширные делеции или перестройки ДНК в этой части генома, которые изменяют развитие лица и ограничивают формирование челюсти. Мы предсказали, что более мелкие различия в ДНК могут иметь более тонкие эффекты на форму лица», — сказала Лонг.

Сравнивая геномы человека и неандертальца, команда обнаружила, что в этой области длиной примерно 3000 букв было всего три однобуквенных различия между видами. Хотя эта область ДНК не содержит никаких генов, она регулирует, как и когда активируется ген, в частности ген под названием SOX9, ключевой координатор процесса развития лица. Чтобы продемонстрировать, что эти специфичные для неандертальцев различия важны для развития лица, Лонгу и его коллегам нужно было показать, что неандертальская область может активировать гены в нужных клетках в нужное время по мере развития эмбриона. 

Исследователи одновременно вставили неандертальскую и человеческую версии этой области в ДНК данио-рерио и запрограммировали клетки данио-рерио на выработку разных цветов флуоресцентного белка в зависимости от того, была ли активна человеческая или неандертальская область. Наблюдая за развитием эмбрионов данио-рерио, исследователи обнаружили, что в клетках данио-рерио, участвующих в формировании нижней челюсти, активны как человеческие, так и неандертальские области, причем неандертальская область оказалась более активной, чем человеческая.

«Было очень волнительно, когда мы впервые наблюдали активность в развивающейся морде данио-рерио в определенной популяции клеток, близкой к развивающейся челюсти, и еще больше, когда мы заметили, что специфичные для неандертальцев различия могут изменять ее активность в развитии», — сказала Лонг. «Это заставило нас задуматься о том, какими могут быть последствия этих различий и как исследовать их экспериментально». 

Зная, что последовательность неандертальца более эффективна в активации генов, Лонг и ее коллеги задались вопросом, может ли результирующая повышенная активность ее мишени, SOX9, изменить форму и функцию взрослой челюсти. Чтобы проверить эту теорию, они снабдили эмбрионы данио-рерио дополнительным SOX9 и обнаружили, что клетки, которые способствуют формированию челюсти, занимают большую площадь.

«В нашей лаборатории мы изучаем влияние дополнительных различий в последовательностях ДНК, используя метод, имитирующий особенности развития лица в пробирке. Мы надеемся, что это поможет нам лучше понять изменения в последовательностях у людей с заболеваниями лица и поставить более точный диагноз», — говорит Лонг. Это исследование показывает, что, изучая вымершие виды, мы можем узнать, как наша ДНК влияет на изменчивость, развитие и эволюцию лица.