Как эволюционная случайность навсегда изменила мозг человека: один шанс на миллион
Люди — странное исключение в эволюционной программе. По какой-то причине участки ДНК, тысячелетиями остававшиеся «спящими», за короткий эволюционный промежуток времени вдруг «оживились». Поскольку мы — единственный вид, у которого эти области были переписаны так быстро, их называют «ускоренными человеческими областями» (сокр. англ. HAR). Более того, ученые считают, что по крайней мере некоторые HAR могут быть причиной многих качеств, которые отличают людей от их близких родственников, таких как шимпанзе и бонобо.
Группа ученых под руководством биолога Кэти Поллард, директора Гладстонского института наук о данных и биотехнологии в США, идентифицировала HAR почти два десятилетия назад при сравнении геномов человека и шимпанзе. В новом же исследовании команда Поллард обнаружила, что трехмерная укладка ДНК человека в ядре является ключевым фактором в этот поворотный момент для нашего вида.
Особенности ДНК человека
Представьте отрезок ДНК нашего последнего общего предка с шимпанзе в виде длинного шарфа, обернутого вокруг вашей шеи, с полосами разных цветов, пересекающими его ткань по всей длине. А теперь представьте, что кто-то пытался сделать точно такой же шарф, но не совсем по оригинальной схеме. Некоторые полосы уже, некоторые шире, а у некоторых нарушен порядок расположения цветов.
Когда вы наматываете этот новый шарф на шею так же, как и оригинальный, полосы, расположенные в петле рядом друг с другом, будут уже совершенно другими.
Точно так же большая разница между ДНК человека и шимпанзе носит структурный характер: большие фрагменты строительных блоков ДНК были вставлены, удалены или перестроены в геноме человека. Таким образом, ДНК человека укладывается в ядре иначе, чем ДНК других приматов.
Команда Поллард исследовала, могли ли эти структурные изменения в ДНК человека и особая трехмерная укладка привести к «захвату» определенных генов в HAR, связывая их с другими генами, кодирующими белок. Многие гены внутри HAR связаны с другими генами, действуя как энхансеры (то есть они увеличивают транскрипцию генов, связанных с ними напрямую).
«Энхансеры могут влиять на активность любого гена, который оказывается рядом. В зависимости от того, как свернута ДНК, варьируется расположение генов — а, значит, и активность энхансеров», — пояснила Поллард.
Эволюционное преимущество
В исследовании, опубликованном ранее в этом году, команда Поллард создала модель, предполагающую, что быстрые вариации, появляющиеся в HAR у ранних людей, часто противоречат друг другу, изменяя активность энхансера в своего рода тонкой генетической настройке. Ученые сравнили геномы 241 вида млекопитающих, используя машинное обучение, чтобы справиться с большим объемом данных.
Они идентифицировали 312 HAR и изучили то, где они расположены в трехмерных «окрестностях» свернутой ДНК. Почти 30% HAR были в областях ДНК, где структурные вариации привели к тому, что геном у людей складывался иначе, чем у других приматов. Команда также обнаружила, что районы, содержащие HAR, были богаты генами, которые отличают людей от наших ближайших родственников, шимпанзе.
В эксперименте, сравнивающим ДНК в растущих стволовых клетках человека и шимпанзе, во время развития неокортекса человека добрая треть генов переносила информацию с ДНК на РНК совершенно особым способом. Многие HAR играют роль в развитии эмбриона, особенно в формировании нервных путей, связанных с интеллектом, чтением, социальными навыками, памятью, вниманием и концентрацией внимания — чертами, которые, как мы знаем, у людей явно отличаются от других животных.
В HAR эти гены-энхансеры, не менявшиеся в течение миллионов лет, возможно, должны были адаптироваться к их различным генам-мишеням и регуляторным доменам. «Представьте, что вы энхансер, контролирующий уровень гормонов в крови, а затем ДНК складывается по-новому, и вдруг вы оказываетесь рядом с геном нейротрансмиттера и вам уже нужно регулировать уровень химических веществ в мозгу, — к крови вы больше имеете отношения. Наши клетки должны быстро адаптироваться к этому обстоятельству, чтобы избежать эволюционных недостатков и патологий», — поясняют ученые.
Мы еще точно не понимаем, как эти изменения повлияли на определенные аспекты развития нашего мозга и как они стали неотъемлемой частью ДНК нашего вида. Хотя Поллард и ее команда уже планируют углубиться в эти вопросы. Но пока их исследования наглядно демонстрируют лишь то, насколько уникальна и эволюция человеческого мозга.