Эволюция мозга человека: специализация клеток, а не только их количество

Человеческий мозг по своему размеру, сложности и возможностям превосходит мозг других приматов, хотя мы разделяем более 95% генома с шимпанзе. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством профессора Суджин Йи обнаружили, что ключевое различие кроется не в самих генах, а в их экспрессии — количестве производимой матричной РНК (mRNA).

Роль экспрессии генов

Гены кодируют белки, но именно количество mRNA определяет, сколько белка будет произведено. Сравнение с шимпанзе и макаками показало, что у человека многие гены сильнее активированы (upregulated). Это объясняет, как при схожем геноме могут возникать кардинальные различия — подобно тому, как одна и та же ДНК у бабочки определяет и гусеницу, и взрослую особь.

Новый уровень детализации: анализ отдельных клеток

Ранние исследования анализировали образцы целой ткани мозга, содержащей смесь клеток. В новой работе использовалась технология одноклеточного секвенирования, позволившая изучать ядра клеток по отдельности и группировать их по типам.

• Учёные сравнили экспрессию около 25 000 генов в клетках человека, шимпанзе и макак.
• Различия в экспрессии были обнаружены у 5–10% генов, что больше, чем в исследованиях на смешанных тканях.
• При анализе подтипов клеток этот процент возрастал до 12–15%.

«Теперь мы видим, что отдельные типы клеток прошли свой собственный эволюционный путь, становясь очень специализированными», — отметила Суджин Йи.

Специализация не только нейронов

Исследование показало, что значительные эволюционные изменения затронули не только нейроны, но и глиальные клетки, которые выполняют вспомогательные функции.

• У человека глиальные клетки составляют более половины всех клеток мозга — больше, чем у шимпанзе.
• Наибольшие различия в экспрессии генов обнаружены среди олигодендроцитов — клеток, создающих изоляцию (миелин) для нейронов, что ускоряет передачу сигналов.
• Ранее команда обнаружила, что у человека по сравнению с шимпанзе выше соотношение предшественников олигодендроцитов к зрелым клеткам. Это может быть связано с высокой нейропластичностью и медленным развитием человеческого мозга.

«Усложнение нашей нейронной сети, вероятно, не эволюционировало само по себе, — считает Йи. — Оно не могло возникнуть, если бы все эти другие типы клеток также не эволюционировали».

Будущие направления

Исследование охватило лишь несколько регионов мозга. В планах учёных:

• Изучить механизмы, стоящие за различиями в экспрессии генов.
• Расширить эволюционную перспективу, включив более дальних родственников.
• Исследовать различия с архаичными людьми, такими как неандертальцы и денисовцы.

Как резюмирует Йи: «Дифференциальная экспрессия генов — это именно то, как эволюционировал человеческий мозг».