Исследователи сосредоточились на функции генов, чтобы выявить изменения, сделавшие нас людьми

Новое исследование, опубликованное в журнале Cell 20 июня, использует инструмент CRISPR interference (CRISPRi) для поиска ключевых различий в том, как клетки человека и шимпанзе используют гены. Подход позволил сузить круг генетических изменений, имеющих функциональные последствия на клеточном уровне, что, вероятно, отражает значимые эволюционные различия между видами.

Изучение функции вместо генетического кода

Поскольку многие гены у человека и шимпанзе почти идентичны, важные различия часто заключаются в том, когда и как клетки используют эти гены. Исследователи использовали CRISPRi, чтобы по одному "выключать" гены в стволовых клетках, полученных из образцов кожи шести человек и шести шимпанзе. Затем они наблюдали, влияет ли отключение гена на скорость размножения клеток.

• Ген считался эссенциальным, если его отключение замедляло или останавливало деление клеток.
• Ключевыми для эволюции считались случаи, когда ген был эссенциальным для одного вида, но не для другого.

"Проблема изучения изменений в экспрессии или последовательностях ДНК в том, что их очень много, и их функциональная важность неясна", — говорит Джонатан Вайсман. — "Этот подход смотрит на изменения в том, как гены взаимодействуют для выполнения ключевых биологических процессов... даже за короткий срок человеческой эволюции произошла фундаментальная перестройка клеток".

Эксперимент выявил 75 генов, эссенциальных для одного вида, но не для другого. Многие из них объединялись в одни и те же биологические пути, что указывает на их совокупное влияние на эволюцию.

Гены, регулирующие скорость деления клеток, могут быть ключом к большому мозгу

Одна группа генов, выделившаяся в исследовании, связана с регуляцией клеточного цикла. Эти гены были эссенциальны для нейральных предшественников (клеток-предшественников нейронов) шимпанзе, но не человека.

• Гипотеза: если нейральные предшественники быстрее проходят фазы цикла и делятся чаще, это приводит к большему количеству клеток и, в итоге, к большему мозгу.
• Результат: при "выключении" этих генов предшественники шимпанзе задерживались в непролиферативной фазе, а человеческие клетки продолжали делиться. Это говорит о том, что человеческие клетки лучше переносят стресс от потери таких генов, что может позволять совершать больше делений.

"У этой гипотезы давняя история, и наше исследование — одно из первых, показывающих, что действительно существует видовое различие в регуляции клеточного цикла у нейральных предшественников", — говорит Ричард Ше.

Сравнение с орангутанами подтвердило эволюционный сдвиг

Для проверки результатов исследователи также изучили клетки орангутанов, чья эволюционная ветвь отделилась раньше.

• Если ген эссенциальен и для шимпанзе, и для орангутанов, он, вероятно, был важен для общего предка.
• Если этот же ген не эссенциальен для человека, значит, его роль изменилась уже после отделения линии человека от линии шимпанзе.

Эта система подтвердила, что изменения в регуляции клеточного цикла произошли именно в ходе человеческой эволюции, что согласуется с их ролью в увеличении мозга.

Новый подход планируется использовать для изучения генетических основ человеческих болезней и индивидуальных реакций на лекарства, чтобы выявлять значимые различия среди множества мелких генетических вариаций.