Быстро мутирующие участки ДНК формируют раннее развитие человека
Исследователи из Институтов Глэдстоун обнаружили, как активация специфических участков ДНК контролирует развитие уникальных человеческих характеристик. Результаты, опубликованные в Philosophical Transactions of the Royal Society B, показывают, как активация сходных участков ДНК у разных видов может приводить к различным результатам.
Учёные из лаборатории Кэтрин Поллард использовали современные методы секвенирования и биоинформатики для изучения участков генома, которые направляют развитие человеко-специфических черт.
Ключевые объекты исследования — HARs
Исследователи сосредоточились на так называемых ускоренных человеческих регионах (HARs). Это участки ДНК, которые мутируют с относительно высокой скоростью. Большинство HARs не кодируют конкретные гены. Команда выдвинула гипотезу, что HARs действуют как энхансеры — регуляторные элементы, контролирующие время и продолжительность включения определённых генов во время эмбрионального развития.
Методология: алгоритм и эксперименты
С помощью экспериментов на эмбриональных моделях животных и вычислительного анализа геномики команда идентифицировала более 2600 HARs. Для дальнейшего анализа они создали программу EnhancerFinder — алгоритм машинного обучения, который на основе генетической последовательности HAR, известных эволюционных паттернов и других функциональных геномных данных предсказывает функцию HAR.
Используя этот подход, учёные предсказали, что почти восемьсот HARs действуют как энхансеры в определённый момент эмбрионального развития. После подтверждения этой функции для нескольких десятков HARs, они искали среди них те, которые активируют гены по-человечески уникальным образом.
Результаты: пять ключевых HARs
Дополнительный анализ выявил пять таких HARs. Они активны как в человеческом, так и в шимпанзоидном геноме, но активируют гены в разных областях эмбриона.
Например, человеческие версии 2xHAR.164 и 2xHAR.170 активны в области мозга между средним и задним мозгом, в то время как версии шимпанзе — нет. Это «усиление функции» у человеческих эмбрионов может указывать на различия в развитии ключевых областей мозга, таких как мозжечок, который регулирует не только моторный контроль, но и, возможно, высшие когнитивные функции: язык, страх и удовольствие.
Значение и перспективы
Эти результаты дают беспрецедентное представление о том, как недавние изменения в человеческом геноме модифицировали генетические программы, контролирующие эмбриональное развитие. Учёные полагают, что изучение активности HARs-энхансеров на более поздних стадиях развития покажет ещё больше различий между людьми и шимпанзе.
Как отметила Кэтрин Поллард, достижения в области секвенирования ДНК и суперкомпьютеров позволили понять эволюцию на уровне детализации, который ещё несколько лет назад был невозможен. Продолжение углублённого изучения таких регионов, как HARs, приближает нас к ответу на вопрос: что делает нас людьми?