Эволюция мозга: роль HARs

Новое исследование из Йельского университета проливает свет на генетические изменения, которые сформировали эволюцию человеческого мозга, используя ускоренные области человека (HARs). Опубликованное 30 января в журнале Cell, исследование демонстрирует, как эти генетические переключатели регулируют генную экспрессию, отличая нас от наших ближайших родственников шимпанзе.

Новое исследование Йельского университета дает более полную картину генетических изменений, которые повлияли на эволюцию человеческого мозга, и того, как этот процесс отличался от эволюции шимпанзе. В исследовании, опубликованном 30 января в журнале Cell, исследователи сосредоточились на классе генетических переключателей, известных как ускоренные области человека (HARS), которые регулируют, когда, где и на каком уровне экспрессируются гены в ходе эволюции.

В то время как предыдущие исследования предполагали, что HARs могут действовать, контролируя различные гены у людей по сравнению с шимпанзе, нашими ближайшими родственниками-приматами, новые результаты показывают, что HARs точно регулируют экспрессию генов, которые уже являются общими у людей и шимпанзе, влияя на то, как рождаются, развиваются и взаимодействуют друг с другом нейроны.

Используя передовые методы, исследователи также смогли отследить, как HARs взаимодействуют с генами и нервными стволовыми клетками человека, что позволило им идентифицировать генные мишени почти для всех HARs — значительный прогресс в изучении эволюции человека.

"Это открытие дополняет растущее понимание того, как генетические изменения, возникшие в ходе эволюции, сделали нас людьми, и значительно расширяет знания о том, какие гены контролируются HARs", - сказал Джеймс Нунан, профессор генетики Йельской медицинской школы имени Альберта Э. Кента, который руководил исследованием.

"Результаты показывают, что HARs в значительной степени регулируют одни и те же гены у обоих видов, особенно те, которые участвуют в развитии мозга", - сказал Нунан. "Однако HARs по-разному регулируют уровни экспрессии генов у людей, что позволяет предположить, что эволюционные изменения в функционировании мозга произошли не за счет переосмысления генетических путей, а за счет изменения их результатов".

Лаборатория Нунана сосредоточена на понимании того, как HARs способствуют эволюции уникальных особенностей человеческого мозга. В предыдущей работе команда показала, что некоторые HARs изменяют экспрессию генов специфичным для человека образом по сравнению с нашими ближайшими родственниками-приматами. По словам исследователей, последнее исследование значительно расширяет понимание биологических изменений, которые, возможно, были вызваны HARs.

Несмотря на то, что количество HARs в геноме человека было установлено, ранее имелись ограниченные знания о том, какие гены они контролируют; предыдущие исследования выявили только генные мишени примерно для 7-21% HARs.

Вероятно, это связано с тем, что в предыдущих исследованиях использовались менее точные методы, говорит Нунан. И из-за характера полученных данных исследователи ранее могли оценить идентичность лишь небольшой части генов-мишеней HAR, включая некоторые, которые, возможно, вообще не были мишенями.

Для нового исследования команда Йельского университета использовала передовые методы для трехмерного картирования генома, чтобы проследить, как HARs взаимодействуют с генами в нервных стволовых клетках человека и шимпанзе. Это позволило им идентифицировать гены-мишени почти для 90% всех HARs.

"Получение более полной картины теперь открывает перед учеными новые возможности", - сказал Атрейо Пал, аспирант кафедры генетики Йельского университета и первый автор исследования.

Многие гены-мишени HAR активны в развивающемся мозге человека и связаны с такими процессами, как формирование нейронов и поддержание связи между нейронами. Некоторые из них также связаны с такими состояниями, как аутизм и шизофрения, что подчеркивает потенциальную роль HARs как в формировании нормальной функции мозга, так и в неврологических расстройствах.

"Наши результаты также показывают, что мишени для гена HAR экспрессируются в определенных типах клеток развивающегося человеческого мозга, включая типы клеток, которые, возможно, способствовали увеличению размера нашего мозга", - заключил Пал.

Нунан добавил: "Раньше мы не знали, какими были многие из генов, контролируемых HARs, или каковы были их биологические функции. У нас не было полной картины. Теперь это открывает перед нами много новых возможностей понять, как HARS внесли свой вклад в эволюцию мозга".

Что известно на сегодняшний день:

• HARs (Human Accelerated Regions) являются ключевыми регуляторами генов, ответственных за развитие мозга.

• Исследование показало, что HARs влияют на те же гены у человека и шимпанзе, но с разным уровнем экспрессии, что подчеркивает уникальность человеческой эволюции.

• Применение передовых методов позволило идентифицировать генные мишени для почти 90% HARs, что является значительным прогрессом по сравнению с предыдущими исследованиями.

• Эти открытия имеют потенциальные последствия для понимания нейронных процессов, связанных с такими состояниями, как аутизм и шизофрения.

• Исследование руководил Джеймс Нунан из Йельской медицинской школы, фокусируясь на роли HARs в эволюции человеческого мозга.