Исследователи обнаружили три гена, которые, возможно, способствовали эволюции большого человеческого мозга

        

Недавно обнаруженный набор генов может помочь объяснить, как люди расходились с другими обезьянами.

Три гена, вовлеченные в генерацию нервных клеток в головном мозге, появились примерно 3,5 миллиона лет назад и, возможно, способствовали быстрой эволюции большого человеческого мозга, следователь Ховарда Хьюза (HHMI) Дэвид Хаусслер и его коллеги сообщают 31 мая, 2018, в журнале Cell . Эта работа – и документ независимой исследовательской группы, опубликованной в той же проблеме, – идентифицирует гены, которые помогают построить неокортекс, морщинистый наружный слой мозга, который дает людям способность мыслить, планировать и рассуждать.

До сих пор гены были неисследованы, замаскированы ошибкой в ​​опубликованной версии человеческого генома. Эти гены и другие, уникальные для человека, подсказки о том, что отделяет нас от шимпанзе, говорит Хаусслер из Калифорнийского университета, Санта-Крус (UCSC).

«Понимание себя и того, как мы отличаемся от других видов, было научным поиском тысячелетий», – говорит он. «Эти исследования помогают решить давний вопрос о том, что делает нас людьми».

Древняя история

Около 6,5 миллионов лет назад люди и шимпанзе расходились с общим предком. Спустя несколько миллионов лет размер человеческого мозга начал расти. «Если вы посмотрите на черепа из окаменелостей наших предков, вы можете увидеть это расширение», – говорит Хаусслер.

Сегодня человеческий неокортекс примерно в три раза больше, чем у шимпанзе, но исследователи не определили всех генетических факторов, ответственных за разницу. Поскольку люди и шимпанзе раскололись, человеческий геном подвергся примерно 15 миллионам изменений – хитрости к письмам ДНК, которые составляют нашу генетическую инструкцию.

Хаусслер хорошо разбирается в особенностях генов людей. Его команда была частью проекта генома человека, многолетний квест, чтобы описать все буквы ДНК, составляющие примерно 20 000 генов. 7 июля 2000 года Хаусслер и его коллеги опубликовали первый проект генома человека в Интернете. Официальная версия вышла в 2003 году, но по-прежнему идет работа, говорит он. «Мы продолжаем заполнять небольшие пробелы и уточнять места, о которых мы не знали».

Исследователи также должны решить, какие варианты генов включить. Все люди имеют одни и те же основные чертежи, но гены могут быть перегруппированы, удалены и представлены в разных «ароматах». Официальным геномом является «в основном какой-то анонимный парень из Буффало», – говорит Хаусслер, но ученые поменяли некоторые из его измененных генов, чтобы построить более полную версию генома.

Они теперь на версии 38, и каждая новая итерация может раскрыть ценные самородки информации. Для команды Хаусслера версия 38 поразила золото.

Отсутствующие части

Хаусслер и его коллеги выращивали эмбриональные мозговые структуры в лаборатории и искали различия между людьми, сделанными людьми и макаками-резусами. Его команда пыталась определить гены, которые были активны только в развитии человеческого мозга. Такие гены могут включать в себя ключ к размеру человеческого мозга – и человеческий разум.

Около шести лет назад соавтор исследования Фрэнк Джейкобс, затем в лаборатории Хаусслера и теперь в Амстердамском университете, обнаружил перспективного кандидата – ген под названием NOTCH2NL. Это родственник NOTCH2, ген, который, как знали ученые, был центральным в раннем развитии мозга, говорит Хаусслер. NOTCH2 контролирует жизненно важные решения, касающиеся того, когда и сколько нейронов приходится делать.

Когда команда Хаусслера смотрела официальную версию генома человека в то время – версия 37 – NOTCH2NL, по-видимому, находилась в хромосоме 1 вблизи региона, связанного с аномальным размером мозга. Удалите кусок области, и мозги имеют тенденцию сокращаться. Дублирующая его часть, а мозги имеют тенденцию к разрастанию.

«Мы подумали:« О, это невероятно », – говорит Хаусслер. Кажется, что NOTCH2NL проверял все ящики для ключевой роли в развитии человеческого мозга. Но когда команда сопоставила точное местоположение NOTCH2NL в геноме, они обнаружили, что ген в действительности не находится в соответствующем хромосомном регионе; когда-то многообещающий кандидат казался дураком.

«Мы были в замешательстве, – говорит Хаусслер. Все это изменилось со следующей официальной версией человеческого генома – версии 38. На этой итерации NOTCH2NL находился в решающем регионе – «И было три версии этого!» он говорит. За последние три миллиона лет его команда подсчитала, что NOTCH2NL неоднократно копировался в геном, что он называет «серией генетических аварий».

Генетический анализ нескольких видов приматов показал, что три гена существуют только у людей и их недавних родственников, неандертальцев и Денисованы, а не у шимпанзе, горилл или орангутанов. Более того, время появления этих генов совпадает с периодом в летописи окаменелостей, когда черепа наших предков начала увеличиваться, говорит Хаусслер. Вместе результаты показывают, что гены NOTCH2NL сыграли определенную роль в увеличении размера человеческого мозга.

«Я думал, о Боже, теперь все это действительно подходит друг другу», – говорит он.

Мозговые ускорители

Биолог клетки UCSC Софи Салама привел усилия, чтобы выяснить, как эти гены могут работать – и как они могут способствовать заболеванию.

Эксперименты с лабораторно выраженными пятнами ткани головного мозга от мышиных и человеческих эмбриональных стволовых клеток намекали, что гены NOTCH2NL говорят о развитии мозга, чтобы сделать больше предшественников нейронов. Это как маленькие нейронные фабрики, говорит Хаусслер. Больше предшественников означают больше нейронов – и, в конечном счете, большие мозги.

Гены NOTCH2NL, вероятно, передают это сообщение о размножении мозга через хорошо изученный путь передачи сигналов Notch, Салама и ее коллеги обнаружили. Ученые уже знали, что клетки полагаются на этот путь для правильной функции нейронов. Имея три активных гена NOTCH2NL, они активируют обмен сообщениями, добавляя дополнительный толчок к пути, – говорит Салама.

Отклонения в числе копий этих генов могут быть связаны с неврологическими расстройствами, отличными от ненормального размера мозга, обнаружили исследователи. Анализ клеток шести пациентов с аутизмом в проекте Simons Variation in Individuals показал, что каждый пациент потерял или получил части генов NOTCH2NL. До сих пор ученые не отображали точные геномные области, дублированные или вырезанные.

Точное картирование было трудным, говорит Салама, потому что эта область генома настолько повторяема – сбор правильной последовательности ДНК похож на попытку собрать головоломку с почти идентичными фигурами.

Но команда разработала технологию секвенирования для решения проблемы и определила, как гены NOTCH2NL были неправильно собраны вместе у пациентов с аутизмом. Результаты указывают на прямую связь между беспорядком и перетасованными генами NOTCH2NL, говорит Салама.

Находки команды Хаусслера расходятся с выводами из лаборатории Брюссельского университета (ULB) нейробиолога Пьера Вандерхаэгена, чья статья появляется рядом с Хаусслером в Cell . Вандерхаэхен и его коллеги разработали вычислительный метод, помогающий выявлять гены, активные во время развития мозга плода человека. Верхний ген в списке был тем же самым идентифицированным Haussler – NOTCH2NL. «Очень интересно, что мы подняли того же супер-крутого кандидата», – говорит Вандерхаген.

Работа демонстрирует важность дублирования генов как силы в эволюции, говорит HHMI Investigator

Эти гены и другие подобные им уже задают новые вопросы. У современных людей, например, NOTCH2NL существует, по крайней мере, в восьми слегка разных итерациях – тонких вариациях в порядке букв ДНК, которые составляют ген. Хаусслер говорит, что неясно, какое влияние эти различия могут иметь. И команда Vanderhaeghen имеет другие кандидатные нейроразвивающие гены в списке, который включает NOTCH2NL. «Это лучшие кандидаты на специфические для человека гены», – говорит он. «Никто еще не изучил их».

Глубокое погружение в геном может стать воротами для объяснения эволюции человека и умственной способности, говорит Хаусслер. «Понимание ключа к нашим большим познавательным способностям – огромная возможность нашего времени. Это область, в которой молодые ученые будут в восторге».

Источник:

https://www.hhmi.org/news/meet-three-new-genes-may-have-influenced-human-brain-size

      

Source link