Выращенные в лаборатории мозги показывают, что отличает человека от обезьяны

Фото из открытых источников

У людей и обезьян практически одинаковые гены, однако человеческий мозг значительно увеличился в размерах. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, указывает на то, как эти гены используются, а не на то, какие именно гены присутствуют. Почти 600 ДНК-переключателей, контролирующих гены, были более активны в одном из типов человеческих нейронных стволовых клеток, чем в аналогах этих клеток у шимпанзе или горилл. Два из задействованных генов, один из которых наиболее известен своей ролью в функционировании глаза, помогают формировать клетки, которые производят нейроны головного мозга.

У человека неокортекс — внешний слой мозга, отвечающий за абстрактное мышление, долгосрочное планирование и речь, — значительно больше, чем у других человекообразных обезьян. Некоторые гены, обнаруженные только у человека, связаны с большим размером мозга, но они не объясняют весь этот рост. Между тем, часть человеческого генома, отвечающая за синтез белков, на 98–99 процентов идентична геному шимпанзе и горилл. Изучение причин возникновения этого различия затруднено, поскольку разработка мозговой ткани человекообразных обезьян недоступна для исследователей, а сами животные находятся под угрозой исчезновения и охраняются.

Профессор Марейке Альберт из Дрезденского технического университета (TUD) отмечает, что люди используют «в основном тот же набор инструментов, что и обезьяны, просто с другими настройками». Органоиды — крошечные ткани, похожие на мозг, выращенные из стволовых клеток, — дают возможность изучить стадию развития, которую мы иначе вообще не смогли бы изучить.

Исследователи создали мини-мозги из одной линии клеток шимпанзе, одной линии клеток гориллы и трех линий клеток человека, и дали каждому из них расти около восьми недель — стадии, когда присутствуют ключевые типы клеток и когда развитие мозга, по-видимому, синхронизируется у всех трех видов. Результаты были проверены на образцах донорской ткани мозга плода человека, взятых на 13-14 неделе беременности.

Далее исследователи изучили, какие ДНК-переключатели были активированы в типе нейронных стволовых клеток, называемых базальными радиальными глиальными клетками. Тереза Шютце, руководившая экспериментальной работой, описала эти переключатели как «диммеры, которые регулируют активность генов». В клетках человека 599 из них были более активны, чем в клетках шимпанзе или гориллы, и эта закономерность сохранялась в фетальной ткани.

Многие гены, которые контролируются этими переключателями, формируют зрелые нейроны, включая их отростки — длинные отростки, которые тянутся к другим клеткам и соединяются с ними. В человеческих стволовых клетках активность этих генов, отвечающих за формирование формы, была почти такой же, как у зрелых нейронов, и превзошла активность стволовых клеток шимпанзе. Другими словами, эти клетки, похоже, заимствуют приемы, обычно присущие полностью сформировавшимся нейронам. Однако сама по себе активность не определяет фактическую форму, поэтому команда провела эксперимент с двумя генами.

Из множества выявленных генов команда выбрала FAM107A, связанный с человеческими стволовыми клетками в более ранних работах, и CNGA3, известный главным образом своей ролью в конусовидных клетках, светочувствительных клетках глаза. Оба гена функционировали гораздо активнее в клетках человека, чем в клетках обезьян, а ген CNGA3 практически отсутствовал в клетках шимпанзе.

Затем в мини-мозгах человека с помощью генной инженерии каждый ген отключался отдельно в трех независимых группах. В любом случае, меньшее количество клеток приобретало сложные формы. Более ранние исследования предполагают, что стволовые клетки с большей протяженностью улавливают больше сигналов из окружающей среды, подобно тому, как растение с большим количеством листьев улавливает больше солнечного света, и, следовательно, образуют больше нейронов. Более точные измерения показали, что только редактирование FAM107A уменьшило количество отростков, растущих непосредственно из тела клетки, и также привело к уменьшению количества нейронов в ткани. Отключение CNGA3 не изменило ни одного из отдельных измерений, поэтому его точная роль менее определена.

Лабораторные исследования ДНК-переключателей вблизи каждого гена дали подсказку. В клетках мышей человеческий переключатель вблизи FAM107A усиливал активность гена, в то время как версия шимпанзе не оказывала такого явного эффекта, а человеческий переключатель вблизи CNGA3 превосходил свой аналог у шимпанзе. Добавление дополнительного человеческого FAM107A в мини-мозги шимпанзе не делало клетки более сложными. Это оказывало эффект, аналогичный выключению гена в тканях человека, что указывает на то, что количество этого гена, возможно, должно находиться в узком диапазоне.

Рост человеческого мозга, вероятно, был обусловлен несколькими генами с сильным эффектом, а также множеством небольших генетических изменений, и авторы отмечают, что небольшие эффекты трудно обнаружить в экспериментах. Команда также выявила несколько других генов, связанных с ростом клеток, которые могут работать вместе с этими двумя, поэтому полная картина, вероятно, связана с группой генов, а не с парой. Подавление активности переключателя рядом с FAM107A лишь незначительно снизило активность гена, и авторы предполагают, что могут сработать резервные переключатели. Вопрос о том, изменят ли клетки шимпанзе свою форму, если им ввести человеческие версии этих переключателей, здесь не проверялся.

Два гена не могут объяснить человеческий интеллект, и эксперименты с мини-мозгами не могут доказать, что эти изменения привели к увеличению неокортекса человека. Тем не менее, эта работа подтверждает одну идею: то, что отличает людей друг от друга, может частично объясняться тем, как формируются общие гены, а не только новыми генами.