Как развитие человеческого мозга разошлось с развитием мозга человекообразных обезьян

Исследователи из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка (Лейпциг, Германия), Института молекулярной и клинической офтальмологии Базеля и ETH Zurich (Швейцария) представили новые данные о развитии человеческого мозга и отличиях этого процесса от других человекообразных обезьян. Исследование выявило уникальные для человека особенности развития мозга и показало, как эти процессы разошлись с процессами у других приматов.

После того как люди отделились от общего предка с шимпанзе и другими человекообразными обезьянами, человеческий мозг значительно изменился. Однако генетические и развивающие процессы, ответственные за это расхождение, не были понятны. Церебральные органоиды (ткани, подобные мозгу), выращенные из стволовых клеток in vitro, дают возможность изучать эволюцию раннего развития мозга в лаборатории.

Сабрина Кантон, Майкл Джеймс Бойл и Чжисун Хэ, ведущие авторы исследования, вместе с Греем Кэмпом, Барбарой Тройтлейн и коллегами проанализировали человеческие церебральные органоиды на протяжении их развития от стволовых клеток, чтобы изучить динамику экспрессии и регуляции генов с помощью методов single-cell RNA-seq и ATAC-seq. Авторы также исследовали органоиды шимпанзе и макак, чтобы понять, чем развитие органоидов у человека отличается.

«Мы наблюдали более выраженное созревание корковых нейронов в органоидах шимпанзе и макак по сравнению с человеческими органоидами на той же стадии развития», — сказала соавтор Барбара Тройтлейн. «Это позволяет предположить, что нейрональное развитие у человека происходит медленнее, чем у двух других приматов».

Уникальная для человека экспрессия и регуляция генов

Исследователи также идентифицировали гены, демонстрирующие уникальные для человека паттерны экспрессии во время генерации и созревания нейронов. Экспрессия генов может регулироваться доступностью ДНК, которая может находиться в открытом или компактном состоянии. Многие из выявленных изменений в экспрессии генов могли быть связаны с близлежащими изменениями в доступности человеческого генома. Большинство дифференциально доступных регионов содержат мутации, общие для всех ныне живущих людей, некоторые из которых могут быть ответственны за наблюдаемые изменения в доступности ДНК и экспрессии генов. «Предполагается, что некоторые генетические изменения влияют на связывание транскрипционных факторов, что дает потенциальное объяснение тому, как возникают эти различия в экспрессии генов», — сказал соавтор Грей Кэмп. «Среди выявленных нами изменений в регуляции генов могут быть те, которые способствуют большему размеру мозга и когнитивным способностям, наблюдаемым у людей по сравнению с другими приматами».

Авторы дополнительно исследовали уникальную для человека экспрессию генов в префронтальной коре взрослого мозга — области, которая увеличилась в размерах у людей и, как полагают, влияет на сложное когнитивное поведение. Они выявили различия в экспрессии генов на этапе развития, которые сохраняются во взрослом возрасте, а также изменения, характерные исключительно для взрослого мозга в специфических типах клеток. «Наши данные представляют собой ресурс для дальнейших исследований механизмов динамики регуляции генов во время раннего развития мозга, особенно тех, которые потенциально отличают развивающийся мозг человека и шимпанзе», — заключают авторы.

Исследование опубликовано в журнале Nature.