Вбудовування у геном мишей фрагмента генетичного коду, унікального для людей, сприяє розвитку більшого мозку, згідно з дослідженням, опублікованим 14 травня у журналі Nature.

Цей фрагмент ДНК — ділянка, що діє як своєрідний регулятор експресії певних генів — розширює зовнішній шар мишачого мозку, збільшуючи виробництво клітин, які згодом перетворюються на нейрони. Відкриття може частково пояснити, як у процесі еволюції людський мозок став значно більшим порівняно з мозком наших найближчих родичів-приматів.

«Це дослідження заглиблюється набагато глибше, ніж попередні спроби розплутати генетичні механізми розвитку людського мозку», — каже Кетрін Поллард, дослідниця біоінформатики в Інституті науки про дані та біотехнології Гладстон у Сан-Франциско, Каліфорнія. «Ця історія значно повніша й переконливіша», — додає вона.

Як мозок став більшим

Питання, як людський мозок виріс таким великим і складним, залишається загадкою, зазначає Габріель Сантпере Баро, нейронауковець, який вивчає геноміку в Інституті медичних досліджень Госпіталь дель Мар у Барселоні, Іспанія. «Ми досі не маємо остаточної відповіді, як людський мозок потроївся в розмірі відтоді, як ми відокремилися від шимпанзе» у процесі еволюції, каже він.

Попередні дослідження вказували, що людські прискорені регіони (HARs) — короткі фрагменти геному, які консервативні у ссавців, але які зазнали швидких змін у людей після їхнього еволюційного відокремлення від шимпанзе — могли бути ключовими факторами розвитку та розміру мозку. Однак точні механізми, що лежать в основі ефектів HARs на формування мозку, ще належить розкрити, зазначає співавторка дослідження Дебра Сілвер, нейробіологиня розвитку з Університету Дюка в Даремі, Північна Кароліна.

Щоб скласти чіткішу картину, Сілвер та її колеги детально вивчили один HAR, названий HARE5, який вони відкрили десять років тому. У мишей цей фрагмент ДНК, як відомо, посилює експресію гена Fzd8, одного з головних гравців у розвитку та рості нейронних клітин. Дослідницька група порівняла ефекти HARE5 у мишей, шимпанзе та людей.

Коли дослідники замінили мишачу версію HARE5 у живих мишей на людську, мозок тварин виріс на 6,5% більшим, ніж у немодифікованих мишей, до досягнення дорослого віку. Цей мозковий підсилювач був найактивнішим у нейронних стовбурових клітинах, відомих як радіальна глія, які зрештою розвиваються у нейрони та інші клітини мозку. Людський HARE5 збільшував поділ і проліферацію глії, і клітини згодом виробляли більше нейронів, ніж під впливом мишачої версії HARE5.

Наразі неясно, чи отримали миші з більшим мозком покращення когнітивних здібностей чи пам’яті, зазначає Сілвер.

Малі зміни, великі відмінності

Досліджуючи відмінності між людським HARE5 та версією шимпанзе, Сілвер та її колеги ідентифікували чотири ключові генетичні мутації. Кожна з цих мутацій посилювала проліферацію клітин як у людей, так і у шимпанзе.

Для глибшого вивчення процесу дослідники створили мініатюрні тривимірні моделі людського мозку — органоїди — в лабораторних умовах. Це дозволило їм спостерігати, як HARE5 впливає на формування нейронних клітин. Результати виявились промовистими: органоїди з HARE5 від шимпанзе містили менше радіальних гліальних клітин порівняно з органоїдами з людським HARE5, причому ці гліальні клітини також були менш розвиненими.

Команда також встановила, що HARE5 підсилює важливий сигнальний шлях, який стимулює ріст нейронних стовбурових клітин. Це підтверджує роль цього генетичного «регулятора» у збільшенні розміру та ускладненні структури людського мозку, зазначає Сілвер.

Габріель Сантпере Баро вважає, що майбутні дослідження мають зосередитись на тому, як ефекти HARE5 поєднуються та взаємодіють з іншими приблизно 3000 HARs, присутніми в людському геномі. Це дозволить скласти повнішу картину їхньої ролі в розвитку та еволюції людського мозку. «Вони все ще представляють генетичний скарб, який ми повинні продовжувати досліджувати», — додає він.

Сілвер та її колеги вже розробляють методи для вивчення того, як різні HARs функціонують разом. «Є багато, багато різних механізмів, які мають вирішальне значення для того, щоб зробити людський мозок таким, яким він є», — підкреслює вона.

Чому це важливо знати

Це відкриття поглиблює наше розуміння еволюційних процесів, які сформували людський мозок. Дослідження демонструє, як навіть невеликі зміни у регуляторних ділянках ДНК можуть суттєво впливати на розвиток і розмір мозку.

Хоча оригінальна наукова публікація не містить згадок про безпосередні медичні застосування, глибше розуміння генетичних механізмів розвитку мозку закладає фундамент для подальших досліджень. Вивчення специфічних регуляторних елементів, таких як HARE5, відкриває перспективні напрямки для науковців, які прагнуть розкрити унікальні особливості людського мозку.

«Є багато, багато різних механізмів, які мають вирішальне значення для того, щоб зробити людський мозок таким, яким він є», — підсумовує співавторка дослідження Дебра Сілвер, вказуючи на складність і багатогранність еволюційних процесів, що сформували найскладніший орган людського тіла.