Случайное событие, произошедшее 1 миллион лет назад, навсегда изменило человеческий мозг

Как человек отличается от обезьяны? Ответ может крыться в уникальных участках нашей ДНК, которые были переписаны в короткий эволюционный период. Эти участки называются «Зоны ускоренного развития у человека» (Human Accelerated Regions, HAR) и они могут быть ответственны за многие качества, которые выделяют нас среди других приматов.

Ученые из США под руководством Кэти Поллард, директора Института биотехнологии и науки о данных Гладстоун, обнаружили HAR почти два десятилетия назад, сравнивая геномы человека и шимпанзе. В новом исследовании, опубликованном в научном журнале Science, они выяснили, что ключевым фактором в этом решающем моменте для нашего вида было трехмерное складывание ДНК в ядре клетки.

Представьте себе длинный шарф с разноцветными полосами, который обернут вокруг вашей шеи. Это ДНК нашего последнего общего предка с шимпанзе. Теперь представьте себе другой шарф, который пытались сделать по тому же образцу, но не совсем точно. Некоторые полосы уже или шире, а некоторые имеют другой порядок цветов. Когда вы обернете этот новый шарф вокруг шеи так же, как оригинальный, полосы, которые оказываются рядом в петле, уже не будут одинаковыми.

Так же и с ДНК человека и шимпанзе: большие куски строительных блоков ДНК были вставлены, удалены или переставлены в геноме человека. Поэтому ДНК человека складывается по-другому в ядре по сравнению с ДНК других приматов.

Команда Поллард исследовала, как эти структурные изменения в ДНК человека и её измененное 3D-складывание могли повлиять на определенные гены внутри HAR. Многие гены в HAR связаны с другими генами и действуют как усилители (то есть увеличивают транскрипцию своих связанных генов).

«Усилители могут влиять на активность любого гена, который оказывается рядом, что может меняться в зависимости от того, как складывается ДНК», — сказала Поллард.

В исследовании, опубликованном ранее в этом году, команда Полларда создала модель, предполагающую, что быстрые изменения, появившиеся в HAR у ранних людей, часто противоречили друг другу, регулируя активность усилителя то вверх, то вниз — своего рода генетическая настройка.

В своем последнем исследовании команда учёных сравнила геномы 241 вида млекопитающих, используя машинное обучение для обработки большого объема данных. Они выявили 312 HAR и изучили, где они находятся внутри 3D-окрестностей складывающейся ДНК. Почти 30 процентов HAR были в регионах ДНК, где структурные вариации вызвали разное складывание генома у человека по сравнению с другими приматами.

Команда также обнаружила, что окрестности, содержащие HAR, были богаты генами, которые отличают человека от нашего ближайшего родственника — шимпанзе.

В эксперименте, который сравнивал ДНК в растущих стволовых клетках человека и шимпанзе, одна треть выявленных HAR были транскрибированы специально во время развития неокортекса человека.

Многие HAR играют роль в развитии эмбриона, особенно в формировании нейронных путей, связанных с интеллектом, чтением, социальными навыками, памятью, вниманием и концентрацией — чертами, которые мы знаем, что отличаются у человека и других животных.

В HAR эти усилительные гены, неизменные в течение миллионов лет, могли адаптироваться к своим новым целевым генам и регуляторным доменам.

«Представьте себе, что вы — усилитель, контролирующий уровень гормонов в крови, а потом ДНК складывается по-новому и вдруг вы оказываетесь рядом с геном нейромедиатора и должны регулировать уровень химических веществ в мозге вместо крови», — сказала Поллард.

«Что-то большое происходит, например этот массивный сдвиг в складывании генома, и наши клетки должны быстро исправить это, чтобы избежать эволюционного недостатка».

Мы пока не понимаем точно, как эти изменения повлияли на конкретные аспекты нашего развития мозга и как они стали неотъемлемой частью нашей ДНК. Но команда Поллард уже планирует углубиться в эти вопросы.

Но их исследования до сих пор показывают, насколько уникальным — и маловероятным — было эволюция человеческого мозга.

Александр Антипов, главный редактор SecurityLab, высказал свои мысли на эту тему:

Статья затрагивает интересную и актуальную тему развития человеческого мозга и его отличия от мозга других приматов. Авторы исследования обнаружили, что у человека есть уникальные участки ДНК, которые были переписаны в короткий эволюционный период и могут быть ответственны за многие когнитивные и социальные навыки, свойственные только нашему виду. Эти участки называются «Зоны ускоренного развития у человека» (HAR) и они отличаются от аналогичных участков у шимпанзе не только последовательностью нуклеотидов, но и способом складывания ДНК в ядре клетки.

Это очень важное открытие, так как оно может помочь понять, какие генетические факторы лежат в основе формирования человеческого мозга и как они взаимодействуют с окружающей средой. Кроме того, это может дать новые подходы к изучению и лечению различных неврологических и психических заболеваний, связанных с нарушением развития или функционирования мозга.

Однако статья также содержит некоторые неточности и упрощения, которые могут ввести читателя в заблуждение. Например, авторы утверждают, что HAR были «переписаны» в короткий эволюционный период, но не уточняют, что это значит. В реальности, эти участки не были целенаправленно изменены каким-то «редактором», а подверглись естественному отбору на протяжении миллионов лет. То есть, те варианты ДНК, которые давали преимущество в выживании и размножении, становились более распространенными в популяции.

Также авторы не объясняют, как именно HAR влияют на активность других генов и как это связано с развитием мозга. Они говорят, что HAR действуют как усилители (enhancers), то есть регуляторные элементы ДНК, которые повышают транскрипцию связанных с ними генов. Но это не всегда так: некоторые HAR могут действовать как подавители (silencers), то есть снижать транскрипцию генов. Кроме того, эффект HAR может зависеть от типа клетки, стадии развития, внешних факторов и других генетических вариантов.

Наконец, авторы не упоминают о том, что HAR не являются единственными генетическими различиями между человеком и шимпанзе. Существуют и другие типы генетических вариаций, такие как однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), инсерции и делеции (INDEL), копийно-числовые вариации (CNV) и структурные вариации (SV), которые также могут влиять на функцию генов и фенотип организма. Поэтому HAR не следует рассматривать изолированно, а в контексте всего генома и его взаимодействия с окружением.