Структурные изменения ДНК могли запустить эволюцию человеческого мозга
Более миллиона лет назад в человеческом геноме произошли крупные перестройки — структурные варианты, такие как делеции, дупликации или инверсии участков ДНК. Как показало новое исследование, опубликованное в Science, эти изменения, вероятно, запустили каскад быстрых изменений в других участках ДНК, которые могут лежать в основе уникальных человеческих черт, в особенности мозга.
Исследователи из Gladstone Institutes изучали участки ДНК, называемые ускоренными регионами человека (HARs), которые почти идентичны у всех людей, но отличаются у людей и других млекопитающих. Многие HARs регулируют развитие мозга, и их быстрое изменение в ранней человеческой эволюции долгое время оставалось загадкой.
«Мы обнаружили, что многие HARs находятся в областях ДНК, где структурные варианты привели к тому, что геном стал складываться иначе у людей по сравнению с другими приматами», — говорит Кэти Поллард, ведущий автор исследования.
Изменение пространственной укладки ДНК
Используя модель машинного обучения для предсказания укладки ДНК, команда сравнила геномы человека и шимпанзе. Анализ показал, что почти 30% HARs находятся в областях генома, которые складываются по-разному у человека и шимпанзе.
«Мы поняли, что эти специфичные для человека структурные изменения могли создать подходящие условия для быстрой эволюции HARs у предка человека, после того как они оставались почти неизменными в течение миллионов лет эволюции млекопитающих», — пояснила Кэтлин Кио, первый автор исследования.
Последствия для регуляции генов
Изменение укладки ДНК могло привести к тому, что HARs-энхансеры оказались рядом с новыми генами.
«Представьте, что вы — энхансер, контролирующий уровень гормонов в крови, а затем ДНК складывается по-новому, и вы оказываетесь рядом с геном нейромедиатора», — говорит Поллард. — «Ваши инструкции устарели, и их нужно менять».
Эксперименты на клетках мозга, полученных из стволовых клеток человека и шимпанзе, подтвердили, что многие человеческие HARs находятся рядом с генами, связанными с развитием мозга, а иногда и с нейроразвитием или психическими заболеваниями.
Эволюционная «настройка»
Новые данные хорошо согласуются с более ранними выводами команды о том, что изменения в HARs часто были противоположными (например, сначала усиление, затем ослабление активности энхансера).
«Происходит нечто масштабное, например, это огромное изменение в укладке генома, и нашим клеткам нужно быстро это исправить, чтобы избежать эволюционного недостатка», — говорит Поллард. — «Но это исправление может быть избыточным и требовать дальнейшей "тонкой настройки" со временем».
Хотя исследование помогает понять, как могли возникнуть HARs, вопросы о том, почему масштабные структурные изменения сохранились в эволюции и как именно HARs влияют на развитие человеческого мозга, требуют дальнейшего изучения.