Человеческая ДНК увеличила мозг мышей

Размер человеческого мозга увеличивался в ходе эволюции, что дало людям уникальные возможности, среди которых – способность пользоваться речью и решать сложные математические задачи. Однако учёные не могли понять, почему человеческий мозг стал больше, чем у ближайших живущих на Земле родственников человека – шимпанзе, тогда как почти все гены у людей и этих обезьян идентичны.

Исследователи из университета Дьюка в поисках ответа на этот вопрос обнаружили ключевые различия в генетическом коде человека и шимпанзе, касающиеся мозга. Затем биологи визуализировали правильность своих выводов в экспериментах над эмбрионами мыши.

Каждый геном содержит тысячи небольших участков ДНК, называемых усилителями (или энхансеры): их роль заключается в контроле активности генов. Некоторые из них являются уникальными для человека, некоторые действуют в конкретных тканях. Но раньше учёные не прослеживали влияние конкретных усилителей непосредственно на анатомию мозга.

В ходе нового исследования учёные рассмотрели данные о геномах человека и шимпанзе, чтобы выделить усилители, которые работают в тканях головного мозга на ранних стадиях развития. В первую очередь их интересовали те усилители, которые у двух исследуемых родов существенно отличаются друг от друга. Из 106 потенциальных кандидатов специалисты в конце концов выделили шесть, получивших название от HARE1 до HARE6 (сокращение от human-accelerated regulatory enhancers, то есть усиленные у человека регуляторы-энхансеры).

В ходе дальнейшей работы учёные выявили незначительные различия в регуляторе активности генов HARE5: при внедрении этого регулятора в ДНК эмбрионов мышей их мозг по площади становился на 12% больше, чем у эмбрионов, получивших последовательность HARE5 от шимпанзе. HARE5 привлёк внимание исследователей также благодаря своему хромосомному расположению вблизи гена FZD 8, являющемуся частью известной молекулярной сети. Ранее исследователи установили, что она задействована в развитии мозга, а также причастна к некоторым заболеваниям мозга.

Последовательности HARE5 у человека и шимпанзе отличаются лишь 16 нуклеотидами в генетическом коде. Тем не менее, внедрив последовательность в ДНК эмбрионов грызунов, исследователи обнаружили: человеческий усилитель активен с самого начала развития и в целом значительно в большей степени, чем усилитель шимпанзе.

При этом различия активности были обнаружены в критический момент для развития мозга, когда нервные клетки-предшественники делятся (незадолго до появления нейронов). В конечном счёте в мозге мышей, "обработанных" человеческой последовательностью HARE5, оказалось больше нейронов.

Под конец периода эмбрионального развития различия в размерах мозга у эмбрионов мышей стало заметно невооружённым глазом. Сильные различия были заметны непосредственно в коре головного мозга – области, ответственной за язык, ассоциации и осмысленное поведение.

Выводы, опубликованные в издании Current Biology, могут помочь понять не только генетику особенностей человеческого мозга, но и объяснить, почему некоторые люди страдают от таких заболеваний, как аутизм и болезнь Альцгеймера, в то время как приматов эти недуги не касаются.

"Мне кажется, что наши выводы – это только начало подобных исследований, – говорит Дебра Силвер (Debra Silver), доцент кафедры молекулярной генетики и микробиологии университета Дюка. – Мы обнаружили и некоторых других кандидатов, которые могут отвечать за уникальность человеческого мозга".

В дальнейшем учёные планируют изучить выросших лабораторных мышей, подвергнутых воздействию последовательности HARE5 человека или шимпанзе. Вероятно, исследователям удастся обнаружить различия в поведении или структуре мозга. Правда, для этого группе придётся создать и вырастить новых грызунов: все подопытные эмбрионы этого исследования подверглись вскрытию в научных целях.