Сотни генетических механизмов объясняют, почему человеческий мозг такой большой

Фото из открытых источников

Ученые выявили сотни генетических механизмов, которые могут помочь объяснить, почему человеческий мозг вырастает намного больше, чем мозг других человекообразных обезьян. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Мы разделяем многие гены с шимпанзе и гориллами, но наш мозг значительно больше. Новое исследование предполагает, что часть различий может быть связана с тем, как клетки мозга используют эти общие гены. Исследователи в Дрездене вырастили мозговую ткань из стволовых клеток, принадлежащих всем трем видам животных.

Они обнаружили почти 600 коротких участков ДНК, которые были более доступны в клетках человека, многие из которых связаны с генами, помогающими клеткам принимать форму.

Марейке Альберт руководила работой в Центре регенеративной терапии Дрездена, входящем в состав Дрезденского технического университета (TUD). Ее группа изучает активность генов в процессе развития мозга.

«Изменения размера мозга на самом деле происходят во время развития. Именно тогда формируется большинство нейронов. Но развивающаяся мозговая ткань человекообразных обезьян недоступна для исследований, и это объясняется вескими этическими соображениями», — говорит Альберт.

Для изучения этих ранних стадий команда вырастила крошечные шарики ткани, называемые церебральными органоидами. При наличии соответствующих химических сигналов стволовые клетки формируют ткань, которая копирует некоторые особенности раннего развития мозга.

Соавтор исследования Мадлен Ланкастер впервые вырастила церебральные органоиды в 2013 году. Сейчас она руководит лабораторией в Лаборатории молекулярной биологии MRC.

Исследователи использовали одну линию стволовых клеток гориллы, одну линию клеток шимпанзе и три линии человеческих клеток. Они изучили органоиды через восемь недель. Они также исследовали донорскую человеческую фетальную кору головного мозга, внешнюю область мозга, на 13-й и 14-й неделях беременности. Это позволило им проверить, насколько органоиды похожи на развивающуюся человеческую ткань.

Исследовательская группа сосредоточила внимание на стволовых клетках, называемых базальными радиальными глиальными клетками. Эти клетки делятся глубоко в развивающейся ткани мозга и оттягивают длинные «отростки» к ее поверхности.

Исследователи окрасили внешнюю поверхность каждого органоида флуоресцентным красителем, что позволило им идентифицировать клетки, длинные отростки которых достигали поверхности. Затем клеточный сортировщик разделил ткань на четыре группы. К ним относятся разветвленные стволовые клетки, родственные стволовые клетки, закрепленные вблизи заполненного жидкостью центра, клетки, производящие нейроны, и сами нейроны.

Исследователи проверили, какие участки ДНК клеток были открыты и доступны для считывающего их механизма. Для всех трех видов они выявили 225 395 участков, которые можно было сравнить. Из них 599 были более доступны в человеческих стволовых клетках, разветвленных по структуре, чем в клетках шимпанзе и гориллы. Все 599 также были доступны в донорской человеческой ткани.

Тереза Шютце, руководившая экспериментальной работой, объяснила, как эти участки могут влиять на гены. «Эти генетические переключатели представляют собой короткие последовательности ДНК, которые контролируют активность гена. Их можно рассматривать как своего рода регуляторы яркости, которые позволяют увеличивать или уменьшать активность генов», — сказала Шютце.

«Мы обнаружили почти 600 переключателей, которые более активны в человеческих нейронных стволовых клетках, чем в клетках шимпанзе и горилл», — сказала Шютце.

Примерно 63% совпадали с участками ДНК, уже известными своей ролью регуляторов активности генов. Несколько участков принадлежали к областям, которые необычайно быстро изменились после отделения человеческой линии от других человекообразных обезьян.

Переключатель может управлять геном, расположенным на некотором расстоянии вдоль ДНК. Используя карты структуры ДНК внутри клеток, исследователи связали 599 участков с 589 возможными целевыми генами. Эти гены помогают формировать передний мозг, соединять клетки с соседними клетками, направлять клетки в нужное положение и способствовать росту ветвей нервных клеток. 

Затем исследователи изучили, отражаются ли эти различия в доступности ДНК на активности генов. Они обнаружили 939 генов, активность которых различалась между ветвящимися стволовыми клетками человека и шимпанзе, в том числе 465 генов, которые были более активны у человека.

Многие из этих более активных генов помогают формировать клетки. Чтобы изучить эту закономерность, команда присвоила каждому типу клеток оценку, основанную на активности генов, связанных с формированием формы.

У шимпанзе показатели возрастали от более простых, закрепленных стволовых клеток до нейронов. Человеческие ветвящиеся стволовые клетки показали почти такие же высокие результаты, как и нейроны.

Это бросалось в глаза, потому что нейроны в течение нескольких месяцев приобретают сложные формы по мере роста в направлении своих целей. Человеческие стволовые клетки использовали многие из тех же генов, даже когда еще делились.

Затем команда проверила, где еще были активны эти 465 генов. В развивающемся мозге мышей большинство из них работали в нейронах. В коре головного мозга плода человека и макаки они действовали как в нейронах, так и в стволовых клетках. Это были старые, широко распространенные гены, а не гены, встречающиеся только у человека.

Исследователи считают, что человеческие ветвящиеся стволовые клетки переняли часть программы, формирующей нейроны, — процесс, называемый кооптацией. Это может помочь объяснить их более сложные формы и дополняет более ранние исследования, посвященные генам, специфичным для человека.

«Не обязательно разные гены делают человеческий мозг особенным. Как показывают почти идентичные геномы, мы используем в основном тот же набор инструментов, что и обезьяны, просто с другими настройками», — объясняет Альберт.

Для дальнейших исследований команда выбрала два из 589 генов-кандидатов. Один из них, FAM107A, производит белок, который связывается с актином, частью внутреннего каркаса, поддерживающего форму клетки.

Другой ген, CNGA3, помогает формировать ионный канал, наиболее известный своей ролью в клетках, воспринимающих цвет в глазу. Органоиды шимпанзе показали очень низкую активность этого гена.

Этот белок в большом количестве присутствовал в радиальных глиальных клетках человека, в небольшом количестве — в клетках гориллы и был необнаружим в клетках шимпанзе.

Чтобы проверить работу самих переключателей, исследователи поместили их человеческие и шимпанзе-версии в клетки мышей рядом с репортерным геном. Когда переключатель работал, появлялось свечение.

Переключатель FAM107A, используемый человеком, светился; версия, используемая шимпанзе, — нет. Обе версии переключателя CNGA3 работали, но человеческая версия светилась ярче. В человеческом гене CNGA3 происходит изменение одной буквы ДНК, что создает точки связывания для 11 белков-регуляторов.

Когда исследователи удалили любой из этих генов из человеческих органоидов, меньшее количество стволовых клеток приобрело сложную форму. У клеток, в которых отсутствовал ген FAM107A, также наблюдалось меньшее количество ветвей, отходящих от клеточных тел, а в органоидах содержалось меньше молодых нейронов.

Добавление дополнительного человеческого гена FAM107A в органоиды шимпанзе также упростило клетки. Это говорит о том, что количество имеет значение: увеличение активности этого гена не обязательно приводит к образованию большего количества ветвей.

Органоиды позволяют запечатлеть лишь часть развития мозга. Они выращивают тонкую версию наружного слоя стволовых клеток, который развивается во втором триместре беременности, когда происходит большая часть роста коры головного мозга человека.

Необходимо также дополнительно изучить взаимосвязи между отдельными переключателями и генами. Когда исследователи снизили активность переключателя FAM107A, а не удалили ген, активность гена практически не изменилась.

Другие переключатели могут помочь сохранить работоспособность системы. Результат показывает, почему изменение одного переключателя может иметь иной эффект, чем удаление целого гена.

Тестирование двух генов дает представление о том, как развиваются эти клетки, но не объясняет вклад всех 589 кандидатов. Исследование также не измеряет, сколько дополнительных нейронов эти различия могут добавить в кору головного мозга человека.

Исследователи предполагают, что улучшенные условия роста, включая белок под названием LIF, могут помочь органоидам развить более плотный внешний слой стволовых клеток. Это позволило бы ученым лучше изучать стадию развития, которая имеет огромное значение для размера мозга.

Полученные результаты позволяют предположить, что эволюция человеческого мозга может зависеть не только от того, какие гены мы унаследовали, но и от того, как эти гены используются в процессе развития.