Уникальность человеческого мозга - всего лишь результат счастливой случайности, произошедшей 1 миллион лет назад

ДНК человека и шимпанзе идентичны на 98,8%, так почему же мы такие разные? Человек отделился от наших ближайших родственников среди африканских человекообразных обезьян около шести-семи миллионов лет назад в результате генетических мутаций. Недавно исследователи показали, что важные структурные изменения в геномах наших предков могли привести к более тонким изменениям в регуляции генетической активности, связанной с развитием мозга, которые отличают мозг человека от мозга других приматов.

Важнейшее открытие для понимания эволюции человека.

Шимпанзе и бонобо - ближайшие живые родственники человека. Последний общий предок человека с шимпанзе жил около 6-7 миллионов лет назад. Затем люди и шимпанзе пошли по разным эволюционным путям. Последние продолжали ходить на четвереньках и жить на деревьях, в то время как люди потеряли шерсть и встали вертикально, но главное - увеличился размер их мозга.

Для объяснения этого увеличения массы мозга было построено несколько теорий: воздействие окружающей среды, развитие все более сложных социальных отношений и т.д. Ни одна из них полностью не удовлетворяет эволюционным данным.

Недавно исследователи из Гладстонского института науки о данных и биотехнологии в США предложили третью альтернативу/объяснение, основанное на надежных генетических данных. По их мнению, нам просто повезло в результате взаимодействия определенных генетических мутаций. Более миллиона лет назад большие фрагменты человеческого генома были перестроены, то есть изменилась структура генома. Затем эти изменения вызвали каскад других быстрых изменений в человеческой ДНК, которые лежат в основе уникальных человеческих характеристик, особенно связанных с мозгом. Их работа опубликована в журнале Nature.

Беспрецедентные изменения в геноме человека

Сравнивая геномы человека и шимпанзе 20-летней давности, Кэти Поллард, доктор философии, директор Гладстонского института науки о данных и биотехнологии и ведущий автор нового исследования, обнаружила участки ДНК, которые были стабильны у млекопитающих на протяжении тысячелетий, но внезапно изменились у ранних людей, называемые HAR (Human Accelerated Regions).

HAR практически идентичны у всех людей, но различаются между людьми и всеми другими млекопитающими. Эти эволюционно консервативные последовательности приобрели удивительно большое число нуклеотидных замен в геноме человека с момента расхождения с нашим общим предком шимпанзе.

Предыдущие работы показали, что многие HAR являются активаторами регуляции генов, которые функционируют во время эмбрионального развития, особенно в развитии мозга. Но до сих пор их происхождение и роль в дифференциации человека и шимпанзе, в частности, были неизвестны.

Поэтому Поллард и его коллеги задались вопросом, могут ли другие изменения в ДНК, окружающей HAR, помочь объяснить их происхождение. В сотрудничестве с проектом The Zoonomia Project - изучением геномов млекопитающих - исследователи проанализировали HAR и их окружение в 241 геноме млекопитающих.

Кэти Поллард поясняет: "Мы обнаружили, что многие HAR находятся в тех областях ДНК, где структурные варианты привели к тому, что геном у человека складывается иначе, чем у других приматов. Это дало нам представление о том, как HAR могли возникнуть в первую очередь".

Действительно, для активаторов генов важно расположение HAR в геноме. Как объясняют авторы, они влияют на активность любого гена, находящегося поблизости, что может варьироваться в зависимости от того, как свернута ДНК.

Для изучения связи между HAR и сворачиванием ДНК они использовали модель машинного обучения, ранее разработанную для предсказания паттернов сворачивания ДНК, и применили ее к последовательностям ДНК человека и шимпанзе. Компьютер предсказал, что почти 30% HAR были расположены в областях генома, которые складываются по-другому у человека, чем у шимпанзе. Эти структурные варианты являются результатом крупных вставок, делеций и геномных перестроек.

Кэтлин Киф, доктор философии, соавтор исследования, говорит: "Мы поняли, что эти специфические для человека структурные изменения могли создать благоприятные условия для быстрой эволюции HAR у предка человека, после того как они оставались практически неизменными в течение миллионов лет эволюции млекопитающих".

HAR - ключ к расшифровке нашей истории

Эволюция человека, как и эволюция других видов, не шла по прямой линии. Вместо этого множество видов расходилось от общих предков, как ветви на кусте. Наш вид, Homo sapiens, единственный, кто выжил. Но в прошлом было много случаев, когда несколько ранних видов человека жили вместе. Один из ключей к пониманию нашей эволюции и возникновения Homo sapiens может лежать в HAR.

Поллард объясняет: "Когда происходит что-то важное, например, такое масштабное изменение в сворачивании генома, наши клетки должны быстро исправить это, чтобы избежать эволюционного неблагополучия". Хотя предсказания модели машинного обучения указывали на то, что вблизи HAR произошли серьезные структурные изменения, они не показывали, какие гены попали под их контроль.

Проанализировав клетки мозга человека и шимпанзе, полученные из стволовых клеток, авторы смогли определить, какие участки ДНК наиболее близки к сотням различных HAR. Во многих случаях они обнаружили, что человеческие HAR находятся рядом с генами, которые, как известно, играют роль в развитии мозга; в некоторых случаях соседние гены были также связаны с нейроразвитием или психическими заболеваниями.

Команда планирует продолжить изучение того, почему массивные структурные изменения пережили испытание временем и как HAR повлияли на развитие человеческого мозга.