Преди повече от милион години големи части от човешкия геном са били пренаредени - случайно събитие по време на формирането на яйцеклетките или сперматозоидите, което е довело до изтриване, дублиране или промяна на участъци от ДНК. Тези структурни варианти, открити сега от учените, вероятно са поставили началото на каскада от други бързи промени в човешката ДНК, които може да са в основата на уникални човешки характеристики, особено на мозъка.
Новото откритие, публикувано в списание Science, е резултат от проучване, анализиращо как участъци от ДНК, наречени "човешки ускорени участъци" (или HAR - 'human accelerated regions'), се различават между хората и шимпанзетата. Участъците HAR са почти идентични сред всички хора, но се различават между хората и всички други бозайници. Изследователите отдавна се питат защо тези последователности - много от които контролират развитието на мозъка - са се променили толкова бързо в ранната еволюция на човека.
"Открихме, че много от HAR са в области на ДНК, където структурните варианти са довели до различно нагъване на генома при хората в сравнение с други примати", обяснява д-р Кейти Полард (Katie Pollard), директор на Института за данни и биотехнологии "Гладстон" и водещ автор на новото проучване. "Това ни даде представа как HAR може да са възникнали на първо място."
Сгъване като оригами
При сравняването на геномите на човека и шимпанзето преди близо две десетилетия Полард открива участъци от ДНК - сега наречени HAR - които са били стабилни при бозайниците в продължение на хилядолетия, но внезапно са се променили при ранните хора. Оттогава лабораторията ѝ показва, че повечето HAR са енхансери - къси участъци от ДНК, които регулират активността на гени, свързани с развитието на мозъка. Изследователите обаче все още имат много въпроси относно това как са се появили HAR и каква роля играят те за разграничаването на хората от другите примати.
Полард и нейните колеги се интересуват дали други промени в ДНК, заобикалящи HAR, могат да помогнат за обяснението на техния произход. В сътрудничество с проекта Zoonomia - международно сътрудничество за изучаване на геномите на бозайниците - изследователите анализират HAR и заобикалящата ги среда в 241 генома на бозайници. Те стигат до заключението, че HAR обикновено се намират в области на човешкия геном, които имат големи структурни различия в сравнение с други бозайници.
След това учените проучват дали структурните различия около HAR могат да променят начина на сгъване на ДНК.
"Начинът, по който геномът се сгъва в триизмерното пространство като оригами, е особено важен за енхансерите", обяснява Полард, който е и професор в Калифорнийския университет в Сан Франциско и изследовател в Chan Zuckerberg Biohub. "Това е така, защото енхансерите могат да повлияят на активността на всеки ген, който се намира в близост до тях, което може да варира в зависимост от начина на сгъване на ДНК."
За да проучи връзката между HAR и сгъването на ДНК, екипът на Полард използва разработен преди това модел за машинно обучение за предсказване на моделите на сгъване на ДНК и го прилага към ДНК последователности на хора и шимпанзета. След това те идентифицират областите от генома, които се нагъват по различен начин при хората. Компютърът прогнозира, че близо 30 % от HAR са в области на генома, които се нагъват по различен начин при хората в сравнение с шимпанзетата.
"Осъзнахме, че тези специфични за човека структурни промени може да са създали подходяща среда за бързото развитие на HAR в човешкия прародител, след като са останали почти същите през милионите години на еволюция на бозайниците", споделя д-р Катлийн Киф (Kathleen Keough), първи автор на изследването и бивш постдокторант в лабораторията на Полард в Гладстон.
Сглобяване на миналото
Представете си дължината на ДНК от последния ни общ предшественик с шимпанзетата като дълъг шал, увит около врата ви, с ивици в различни цветове, които преминават през тъканта му по цялата му дължина.
А сега си представете, че някой се е опитал да направи абсолютно същия шал, но не е следвал напълно оригиналния модел. Някои от ивиците са по-тесни, други - по-широки, а при някои цветовете са в различен ред от оригинала.
Когато увиете новия шал около врата си по същия начин като оригинала, ивиците, които се намират една до друга в примката, вече не са еднакви.
Подобно на този шал, голямата разлика между човешката и шимпанзешката ДНК е структурна: големи части от градивните елементи на ДНК са вмъкнати, изтрити или пренаредени в човешкия геном. Затова човешката ДНК се нагъва по различен начин в ядрото в сравнение с ДНК на други примати.
Екипът на Полард изследва дали тези структурни промени в човешката ДНК и нейното променено триизмерно нагъване биха могли да доведат до преместване на определени гени в рамките на HAR, свързвайки ги с гени, кодиращи различни протеини, отколкото първоначално са били приложени.
Много гени в HAR са свързани с други гени, действащи като енхансери, което означава, че те увеличават транскрипцията на свързания/ите с тях ген/и.
Как структурните промени могат да доведат до разместване на HAR енхансер. Кредит: Keough et al., Science, 2023
Ако ДНК, намираща се в близост до HAR, се нагъва по различен начин при хората и доближава различни гени до HAR, това би могло да има драстични последици за нашите предци.
"Представете си, че сте енхансер, който контролира нивата на хормоните в кръвта, а след това ДНК се нагъва по нов начин и изведнъж се оказва, че се намирате до ген за невротрансмитер и трябва да регулирате нивата на химичните вещества в мозъка, вместо в кръвта", разказва Полард. "Вашите инструкции вече са остарели и трябва да бъдат променени."
Предвижданията на модела за машинно обучение показват, че в близост до HAR са настъпили големи структурни промени, но не показват кои гени са попаднали под техен контрол. За да отговорят на този въпрос, Полард и колегите ѝ провеждат лабораторни експерименти, които им позволяват да определят в мозъчни клетки на хора и шимпанзета, получени от стволови клетки, кои участъци от ДНК са най-близо до стотици различни HAR.
В много случаи те откриват, че човешките HAR са близо до гени, за които е известно, че играят роля в развитието на мозъка; в някои случаи близките гени са свързани и с развитието на неврологични или психиатрични заболявания.
Екипът на Полард наскоро съобщи, че вариациите, които бързо са се появили в HAR по време на ранната човешка еволюция, често са се противопоставяли една на друга, като първо са повишавали активността на даден енхансер, а след това са я понижавали или обратното. Новите резултати, според нея, се вписват добре в модела, предложен в това изследване.
"Случва се нещо голямо, като тази мащабна промяна в нагъването на генома, и нашите клетки трябва бързо да го поправят, за да избегнат еволюционен минус", коментира Полард. "Но поправката може да е прекалено сложна и да трябва да се усъвършенства с течение на времето."
Макар че новата статия помага да се отговори на въпроса как HAR може да са се появили в началото, екипът на Полард все още има въпроси, които планира да проследи, за това защо масивните структурни промени са оцелели през изпитанието на времето и как HAR влияят върху развитието на човешкия мозък.
Справка: Kathleen C. Keough et al. ,Three-dimensional genome rewiring in loci with human accelerated regions. Science 380,eabm1696(2023). DOI: 10.1126/science.abm1696
Източници:
A Chance Event 1 Million Years Ago Changed Human Brains Forever, ScienceAlert
Study Suggests Catalyst for Human Brain Evolution, Gladstone Institute
Още по темата
Медицина
За първи път доставят лекарства в мозъка с помощта на ултразвук (видео)
Човекът
Човешките и неандерталските мозъци са изненадващо „млади“, открива ново изследване
Човекът
Шокиращ експеримент показва, че мозъците ни използват квантови изчисления
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари