Трио генов перегружено эволюцией мозга человека

Техника выращивания этих нейронов головного мозга в лабораторной чашке позволила отследить больше генов, участвующих в расширении мозга.

I. Suzuki et al ., Cell 10.1016 / jcell. 2018.03.067 (2018)

Трио генов перегружено эволюцией мозга человека

Элизабет Пенниси. 31, 2018, 12:00

Три почти идентичных гена могут помочь объяснить, как 0, 5 литра серого вещества у ранних предков человека стали 1, 4-литровым органом, благодаря которому наш вид стал настолько успешным и отличительным. Недавно идентифицированные гены также могут помочь объяснить, как иногда развитие мозга идет не так, что приводит к неврологическим расстройствам.

Гены, потомки древнего гена развития, который размножался и изменялся в ходе эволюции, добавляют к растущему списку ДНК, вовлеченному в расширение человеческого мозга. Но они выделяются, потому что так много было изучено о том, как они творят свою магию, говорит Джеймс Нунан, эволюционный геномист из Йельского университета. Исследователи показали, что это трио увеличивает количество потенциальных нервных клеток в мозговой ткани, и одна команда даже зафиксировала вероятные ответственные за белковые взаимодействия. «Это новые белки, которые потенциально очень сильно модифицируют очень важный путь развития мозга», - добавляет Нунан.

До сих пор считалось, что четыре гена - один, NOTCH2NL, сам по себе является порождением семейства генов NOTCH, которое контролирует время развития во всем, от плодовых мух до китов. Но два исследования в выпуске Cell от 31 мая прослеживают серию генетических происшествий в недавней эволюционной истории, которые привели к четырем очень тесно связанным генам NOTCH2NL у людей (см. Рисунок ниже).

Дэвид Хаусслер, биоинформатик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, и его коллеги пошли по следу генов после того, как обнаружили, что путь NOTCH работает по-разному в моделях трубчатых органоидов головного мозга человека и макака - развивающегося мозга. NOTCH2NL отсутствовал в органоиде макаки, ​​и, как показали более поздние анализы, у других обезьян, кроме человека. Это предполагает, что NOTCH2NL мог сыграть уникальную роль в эволюции человека.

Сравнивая NOTCH2NL-связанную ДНК в геномах людей и других приматов, команда Хауслера реконструировала эволюционную историю генов. Они пришли к выводу, что во время репликации ДНК, возможно, 14 миллионов лет назад, часть наследственного гена NOTCH2 была скопирована по ошибке. Новый «ген» был неполным и нефункциональным, но примерно за 11 миллионов лет - незадолго до того, как мозг человеческих предков - начал расширяться - в эту копию был вставлен дополнительный кусок NOTCH2, в результате чего функциональный ген. «Это событие знаменует собой рождение генов NOTCH2NL, которые у нас сейчас есть в мозге», - говорит Фрэнк Джейкобс, один из авторов статьи и эволюционный геномист в университете Амстердама.

Впоследствии этот активный ген NOTCH2NL был продублирован еще дважды, что дало три активных гена NOTCH2NL подряд на одном конце человеческой хромосомы 1 и одну неактивную копию на другом конце. Копии генов могут быть мощными эволюционными силами, потому что одна копия продолжает свою необходимую работу, оставляя другим свободу делать что-то новое.

Повышение для мозга

У предка обезьяны дублирование NOTCH2 привело к нефункциональному NOTCH2NL (серый). Восстановление и последующие генные дубликаты дали несколько рабочих копий

Великая обезьяна, общий предок Древний человек Современный человек Шимпанзе Горилла 3 миллиона 4 миллиона лет назад Хромосома 1 Частичное дублирование Ремонт Дубликаты 14 миллионов лет назад NOTCH2 NOTCH2NL
(ГРАФИЧЕСКИЙ) В. АЛТУНЯН / НАУКА; (ДАННЫЕ) FIDDES ET AL ., CELL 173, 1, (2018)

Пьер Вандерхаген, нейробиолог-исследователь из Свободного университета Брюсселя, обнаружил тот же набор генов, когда нашел способ проверить ткани мозга плода человека на наличие дублированных генов. Чтобы выяснить, что они делают, его команда нарастила активность NOTCH2NL в культивируемых тканях мозга. Ткань сделала больше стволовых клеток, сообщают они во второй клеточной бумаге.

Это открытие дополняет сообщение, о котором сообщалось ранее этой весной Виландом Хаттнером, нейробиологом из Института биологии и генетики молекулярных клеток Макса Планка в Дрездене, Германия. Он и его команда решили сосредоточиться на NOTCH2NL (который, по их мнению, был единственным геном), обнаружив, что он очень активен в клетках мозга плода. Когда они вводят человеческий ген NOTCH2NL в зарождающуюся ткань мозга от эмбрионов мышей, появляется больше стволовых клеток. Это говорит о том, что человеческий ген задерживает специализацию этих клеток, поэтому у них есть шанс создать гораздо больше своих копий, сообщили исследователи в eLife 21 марта.

Теперь, в своей статье Cell, Vanderhaeghen и его коллеги описывают молекулярные детали того, как NOTCH2NL работает для ускорения образования нейронов. Они обнаружили, что белок NOTCH2NL блокирует ключевой шаг в сигнальном пути, который заставляет стволовые клетки дифференцироваться и останавливать деление. В результате клетки сохраняются и продолжают вырабатывать потомство, что в конечном итоге приводит к увеличению урожая нейронов. «Это действительно убедительные биологические данные», - говорит Нунан. «В других исследованиях генов, вовлеченных в эволюцию человека, было очень трудно провести грань от генетического различия к фенотипу до биохимического механизма, который ответственен».

По словам Хаусслера, местоположение трех активных генов NOTCH2NL также говорит о многом. Они попали в середину ДНК, связанной с аутизмом, шизофренией и синдромом задержки развития. Такая дублированная ДНК склонна к дополнительному копированию или потере ДНК во время репликации, и нестабильность является отличительной чертой этих нарушений. Для Грега Рей, эволюционного биолога из Университета Дьюка в Дареме, штат Северная Каролина, эта подсказка к болезням головного мозга является наиболее убедительным новым результатом. «Эти гены, вероятно, играют важную роль в развитии коры, а неправильное регулирование ведет к заболеванию», - говорит он.

Рэй менее убежден в том, что гены играли уникальную роль в эволюции человека, потому что хромосомная область, в которой они проживают, сложна и трудна для последовательности, а также потому, что доказательства эволюционной разницы в функциях генов между людьми и другими видами являются косвенными.

Но Хауслер считает, что эти гены окажутся ключевыми игроками в развитии человеческого мозга. «Одно изменение не сделало это в одиночку, но некоторые будут более фундаментальными, чем другие», - отмечает он. «У NOTCH2NL есть шанс на это».