Созданы трансгенные обезьяны с человеческим вариантом гена microcephalin

Китайские генетики сообщили о создании одиннадцати трансгенных макак-резусов с человеческим вариантом гена microcephalin (MCPH1). Изменения этого гена предположительно сыграли важную роль в эволюции мозга и когнитивных способностей приматов в целом и гоминид в частности. Хотя мозг у трансгенных обезьян не увеличился по сравнению с обычными макаками, у них улучшилась кратковременная память, а в развитии коры появились неотенические черты, что также характерно для человека. В частности, у трансгенных макак замедлились процессы миелинизации аксонов и созревания нейронов и астроцитов коры головного мозга. Кроме того, на более поздний возраст сместилась активация многих генов, влияющих на дифференцировку нейронов и работу синапсов. Некоторые из этих генов у человека тоже «включаются» позже, чем у других приматов. Исследование продемонстрировало принципиально новый подход к экспериментальному изучению функциональной роли генетических изменений, сделавших нас людьми.

Пока в западной науке ужесточаются ограничения, связанные с биоэтикой, китайская наука, чуть менее обремененная подобными запретами, получает сенсационные результаты, не совсем однозначные с этической точки зрения. В частности, в Китае активно ведутся работы по генетической модификации и клонированию обезьян (рис. 1). В перспективе трансгенные приматы могут стать исключительно эффективными модельными объектами для биомедицинских исследований. Предполагается, что использование таких моделей в будущем позволит сократить количество обезьян, страдающих во имя науки.

Но дело не ограничивается исследованиями со столь ясными практическими (медицинскими) перспективами. Трансгенные приматы могут помочь в решении фундаментальных научных проблем, которые если и дадут практическую отдачу, то не очень скоро. Одной из таких проблем является расшифровка функциональной роли генетических изменений, произошедших в ходе антропогенеза и лежащих в основе эволюции человеческого разума.

В новой статье, опубликованной в журнале National Science Review (этот англоязычный журнал с импакт-фактором около 10, издаваемый под эгидой Китайской Академии Наук, знакомит мир с важнейшими достижениями китайских ученых), сообщается об успешном создании одиннадцати трансгенных макак-резусов (восемь особей первого поколения и три — второго) с копиями человеческого гена MCPH1, также известного под названием microcephalin. Этот ген кодирует многофункциональный белок, участвующий в регуляции деления нейроэпителиальных клеток — предшественников нейронов коры головного мозга. Нейроэпителиальные клетки делятся либо симметрично (на две нейроэпителиальные клетки), либо асимметрично — на нейроэпителиальную клетку и нейробласт. Чем больше произойдет симметричных делений, тем больше в итоге будет нейронов в коре, а ген microcephalin влияет на это наряду с несколькими другими генами.

Мутации, выводящие microcephalin из строя, у людей приводят к микроцефалии (отсюда и название гена). Мыши и обезьяны с нокаутированным геном microcephalin тоже имеют уменьшенный мозг. У здоровых людей аллельные варианты гена, по-видимому, влияют на вариации структуры мозга в пределах того, что считается «нормой» (L. M. Rimol et al., 2010. Sex-dependent association of common variants of microcephaly genes with brain structure).

Кроме того, показано, что в эволюционной линии, ведущей от древних обезьян к человеку, в течение последних 25–30 млн лет белок-кодирующая часть гена microcephalin быстро менялась под действием отбора. Это привело к закреплению более 40 аминокислотных замен (P. D. Evans et al., 2004. Reconstructing the evolutionary history of microcephalin, a gene controlling human brain size). У человека по сравнению с другими приматами изменились и регуляторные области гена, что привело к увеличению его транскрипционной активности (L. Shi et al., 2013. Functional divergence of the brain-size regulating gene MCPH1 during primate evolution and the origin of humans).

Из этого следует, что изменения гена microcephalin почти наверняка сыграли важную роль в эволюции мозга и когнитивных способностей человека. Но косвенные аргументы, даже самые убедительные, — это одно, а прямая экспериментальная проверка — совсем другое. Поэтому вполне понятно желание исследователей узнать, что произойдет с обезьяной, если вставить ей в геном человеческий вариант гена microcephalin.

Авторы использовали лентивирусы (см.: Lentiviral vector in gene therapy) для внедрения человеческой версии гена microcephalin в эмбрионы макаки-резуса, находящиеся на ранних стадиях дробления. Эти эмбрионы затем подсаживали самкам — суррогатным матерям.

В итоге удалось получить восемь трансгенных обезьянок первого поколения, в геном которых встроилось от 2 до 9 копий человеческого microcephalin. Секвенирование показало, что человеческий ген встроился во всех случаях в некодирующие, скорее всего нефункциональные участки генома. Поэтому чужеродные вставки не должны были сильно повлиять на работу собственных генов обезьян.

Из восьми трансгенных обезьян две родились сильно недоношенными (на 136-й день после зачатия при нормальном сроке беременности 165 дней) и сразу погибли. Еще одна умерла по невыясненным причинам через 76 дней после рождения. У этих трёх индивидов мозг изучали инвазивными методами, то есть делали срезы мозговой ткани, использовали иммуногистохимические методы для подсчета зрелых и незрелых нейронов и астроцитов, изучали транскриптомы и т. д.

У пяти выживших особей периодически (вплоть до трехлетнего возраста) измеряли объем серого и белого вещества в разных отделах мозга, а также оценивали степень миелинизации нервных волокон при помощи неинвазивных методов, таких как магнитно-резонансная томография. Трансгенных обезьян сравнивали с шестью одновозрастными контрольными (не трансгенными) макаками, из которых троих воспитывали люди (как и трансгенных индивидов), а троих — их собственные матери. Никаких различий между двумя контрольными группами замечено не было. Кроме того, исследовались ткани мозга еще шести разновозрастных контрольных обезьян дикого типа, убитых во имя науки. В общей сложности, таким образом, данные были получены от 8 трансгенных и 12 контрольных обезьян.

Развитие трансгенных обезьян протекало в целом нормально. Несмотря на пересаженный человеческий ген, мозг у них не стал больше, чем у обычных макак-резусов. В раннем детстве они даже отставали от контрольных животных по объему мозга, равно как и по массе тела. Впрочем, авторы убеждены, что это отставание не свидетельствует о какой-либо патологии. Скорее всего, оно объясняется тем, что из восьми трансгенных индивидов шестеро были двойняшками (три пары близнецов). Двойняшки у макак, как и людей, обычно мельче одиночек, а все контрольные особи были одиночками. Кроме того, трансгенные макаки появились на свет путем кесарева сечения примерно на неделю раньше среднего срока беременности. С возрастом различия между трансгенными и контрольными особями по массе тела и объему мозга постепенно сглаживались, а к трем годам сошли на нет.

То, что мозг у трансгенных обезьян не увеличился по сравнению с контролем, можно назвать неожиданным результатом. Ведь мы помним, что microcephalin влияет на пролиферацию клеток — предшественников нейронов, а его отключение приводит к микроцефалии; учитывая, что этот ген сильно изменился в ходе антропогенеза, логично предположить, что рост мозга у наших предков был с этим как-то связан. Но, по-видимому, эволюционные изменения гена microcephalin сами по себе (в отрыве от изменений других генов) не объясняют увеличение мозга у предков Homo sapiens. Или, может быть, здесь сказалось то обстоятельство, что из генома трансгенных обезьян не был удален их собственный вариант гена, так что в их клетках экспрессировались одновременно оба варианта: и человеческий, и обезьяний. Правда, уровень экспрессии человеческого варианта был значительно выше. Авторы отмечают, что убрать обезьяний вариант microcephalin из геномов подопытных животных было бы, конечно, хорошо, но по техническим причинам пока слишком трудно.

Впрочем, у мозга, помимо размеров, есть много других важных характеристик. По некоторым из них трансгенные макаки действительно оказались ближе к человеку, чем контрольные. Так, целый ряд фактов указывает на общее замедление развития мозга, и в особенности коры, у трансгенных обезьян. Например, объем серого вещества коры у трансгенных макак увеличивался в целом медленнее, чем у контрольных, а максимальное значение этого показателя в лобных, теменных и височных долях было достигнуто примерно на полгода позже (рис. 2). В развитии мозжечка и подкорковых отделов такой задержки не было.

Рис. 2. Возрастные изменения объемов серого и белого вещества (Gray Matter, White Matter) в коре головного мозга у трансгенных и контрольных обезьян (соответственно, красные и синие линии). Приведены данные по отдельности для лобных, теменных, затылочных и височных долей (Frontal, Parietal, Occipital, Temporal). По горизонтальной оси — логарифм возраста. Вертикальными пунктирными линиями отмечены моменты, когда объем серого вещества в данном отделе мозга достиг максимума. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в National Science Review

По объему белого вещества коры трансгенные обезьяны заметно уступали контрольным во всех возрастах (в мозжечке и подкорковых областях таких различий не было). Авторы также попытались оценить степень миелинизации нервных волокон при помощи диффузионной МРТ и пришли к выводу о задержке миелинизации у трансгенных обезьян по сравнению с контрольными. Подобная задержка характерна и для людей (по сравнению с шимпанзе и другими приматами).

Изучение срезов лобных долей у трех погибших трансгенных индивидов (пары недоношенных двойняшек, погибших через 136 дней после зачатия, и детеныша, погибшего через 76 дней после рождения) и шести контрольных особей таких же возрастов показало, что процесс клеточной дифференцировки у трансгенных обезьян тоже замедлился по сравнению с контролем. В коре трансгенных макак оказалось меньше клеток, экспрессирующих белки, характерные для зрелых нейронов и астроцитов. Незрелых клеток, наоборот, у них оказалось больше.

Анализ транскриптомов мозговой ткани тоже подтвердил идею о замедленном созревании коры у трансгенных макак. Оказалось, что общий уровень экспрессии гена microcephalin у трансгенных индивидов намного выше, чем у контрольных, причем человеческий вариант гена экспрессируется у них сильнее, чем их собственный, обезьяний. Но главный результат состоит в том, что у трансгенных индивидов понижена экспрессия многих генов, участвующих в развитии нейронов и в работе синапсов. Это справедливо как для 136-го дня эмбрионального развития, так и для 76-го дня после рождения. Это очень похоже на так называемую «транскрипционную неотению мозга», характерную для человека (см.: Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?, «Элементы», 06.03.2017; M. Somel et al., 2009. Transcriptional neoteny in the human brain).

Авторам также удалось получить три трансгенных эмбриона второго поколения. Это было сделано при помощи оплодотворения in vitro с использованием сперматозоидов одного из трансгенных животных первого поколения. Анализ экспрессии генов в мозге эмбрионов на ранних стадиях (спустя 76 и 92 дня после оплодотворения) подтвердил вывод о «транскрипционной неотении». Многие гены, участвующие в дифференцировке нейронов и работе синапсов коры, у человека начинают активно работать на более поздних этапах развития, чем у шимпанзе. То же самое наблюдается у трансгенных макак по сравнению с контрольными.

Итак, у трансгенных обезьян мозг развивается иначе, чем у контрольных. Влияют ли эти отличия, выявленные на молекулярном и клеточном уровне, на поведение и когнитивные способности? Наблюдения, проведенные по стандартным методикам, показали, что обычное поведение трансгенных обезьянок (циклы сна и бодрствования, подвижность, пищевое поведение, самогруминг и т. д.) ничем не отличается от поведения контрольных макак такого же возраста.

Различия выявились в тестах на кратковременную память. Обезьян обучали «выбору по образцу» с задержкой. Суть этого теста в том, что сначала обезьяне показывают на экране какую-нибудь фигуру. Потом в течение нескольких секунд демонстрируется пустой экран («задержка»). После этого на экране появляются две фигуры: та же самая и новая. Обезьяна должна указать на знакомую фигуру (см. видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье).

Трансгенные обезьяны лучше справлялись с заданием, чем контрольные, при любой длительности задержки (использовались задержки длиной в 0–4, 8, 16 и 32 секунды). Преимущество трансгенных обезьян проявилось как в меньшем числе ошибок, так и в повышенной скорости принятия решений. Результат согласуется с гипотезой о том, что кратковременная память у трансгенных обезьян улучшилась по сравнению с контролем. Это может оказаться важным для понимания путей антропогенеза (см.: Чтобы стать людьми, обезьянам не хватает рабочей памяти, «Элементы», 25.12.2008).

Обсуждаемая работа продемонстрировала принципиально новый подход к изучению функциональной роли тех генетических изменений, которые сделали нас людьми (см.: Будут ли расшифрованы генетические основы разума?, «Элементы», 09.10.2006). С чисто научной точки зрения данный подход в высшей степени перспективен. Но как быть с этическими аспектами? Стоят ли полученные данные о гене microcephalin жизней нескольких обезьян (напомним, что шесть здоровых контрольных макак были умерщвлены в ходе исследования, да и об ущемлении прав выживших участников эксперимента можно подискутировать)?

Если внедрение одного человеческого гена лишь слегка изменило динамику развития мозга и умственные способности обезьян, то как будут выглядеть трансгенные приматы с пятью или двадцатью человеческими генами, влияющими на развитие и работу мозга?

Судя по всему, человечеству в ближайшее время придется оперативно решать множество подобных этических дилемм. Причем от принятых решений будет во многом зависеть дальнейшее развитие науки и цивилизации.

Источник: Lei Shi, Xin Luo, Jin Jiang, Yongchang Chen, Cirong Liu, Ting Hu, Min Li, Qiang Lin, Yanjiao Li, Jun Huang, Hong Wang, Yuyu Niu, Yundi Shi, Martin Styner, Jianhong Wang, Yi Lu, Xuejin Sun, Hualin Yu, Weizhi Ji, Bing Su. Transgenic rhesus monkeys carrying the human MCPH1 gene copies show human-like neoteny of brain development // National Science Review. Published online 27 March 2019. DOI: 10.1093/nsr/nwz043.