Случайная перестройка человеческого генома, произошедшая более миллиона лет назад, вероятно, положила начало эволюции современных людей от наших предков-приматов. Недавнее исследование объясняет, почему человеческая ДНК содержит участки, многие из которых участвуют в развитии мозга, которые уникальны для нас и не свойственны даже нашим ближайшим родственникам, шимпанзе. Исследование опубликовано в журнале Science.
Эти участки ДНК, специфичные для человека, называются ускоренными областями человека (HAR). Они были обнаружены почти 20 лет назад доктором Кэти Поллард, которая возглавила новое исследование, чтобы попытаться выяснить, откуда они взялись.
«Мы обнаружили, что многие HAR находятся в областях ДНК, где структурные варианты заставляют геном сворачиваться по-другому у людей по сравнению с другими приматами», — пояснила Поллард. «Это дало нам представление о том, как вообще могли возникнуть HAR».
Физическая структура участка ДНК может быть важным индикатором его функции. Исследователи проанализировали 241 различный геном млекопитающих и обнаружили, что HAR, как правило, возникают в тех частях генома человека, которые структурно сильно отличаются от своих аналогов в геномах других млекопитающих. Это важно, поскольку структура ДНК определяет, как она может складываться в трех измерениях.
«То, как геном складывается в трехмерном пространстве, как оригами, особенно важно для энхансеров», — сказала Поллард. «Это потому, что энхансеры могут влиять на активность любого гена, находящегося поблизости, что может варьироваться в зависимости от того, как свернута ДНК».
Затем команда использовала подход машинного обучения для сравнения последовательностей ДНК человека и шимпанзе и пришла к выводу, что почти 30 процентов HAR находятся в геномных областях, которые у людей сложены иначе, чем у шимпанзе. Разница в укладке означает, что новые гены приближаются к HAR, и эти, казалось бы, незначительные изменения могли иметь серьезные последствия.
«Представьте, что вы — энхансер, контролирующий уровень гормонов в крови, а затем ДНК складывается по-новому, и вдруг вы сидите рядом с геном-нейромедиатором, и вам нужно регулировать химические уровни в мозге, а не в крови. Ваши инструкции устарели, и их необходимо изменить», — пояснила Поллард.
«Мы поняли, что эти структурные изменения, специфичные для человека, возможно, создали подходящую среду для быстрого развития HAR у предка человека, после того как они оставались почти такими же на протяжении миллионов лет эволюции млекопитающих», — добавила первый автор доктор Кэтлин Кио.
Чтобы выяснить, на какие именно гены влияют HAR, команда провела эксперименты на стволовых клетках человека и шимпанзе. Как оказалось, многие из выявленных ими генов играют роль в развитии мозга. Как именно это способствовало эволюции человеческого мозга — вопрос, на который команда хочет ответить в следующий раз.
Результаты также перекликаются с результатами другого недавнего исследования команды. Они сообщили, что многие из ранних изменений в HAR имели противоположные эффекты: исходная мутация могла слишком сильно «повысить» активность ассоциированного гена, и поэтому потребовались бы дальнейшие изменения, чтобы исправить это.
«Происходит что-то грандиозное, например, это масштабное изменение в складке генома, и нашим клеткам приходится быстро это исправлять, чтобы избежать эволюционного недостатка. Но исправление может оказаться переборщившим, и со временем его придется дорабатывать», — сказала Поллард.
Новое исследование добавляет еще одну важную часть к этой головоломке, проливая свет на то, как вообще появились HAR. Поллард и ее команда уже начали планировать следующий этап исследования. Хорошо известно, что ДНК человека и шимпанзе различаются лишь на небольшой процент – мы надеемся, что со временем мы узнаем больше о том, как эти дробные изменения привели в движение цепь событий, которые дали нам отчетливо человеческий мозг.
