Щоб зрозуміти, які саме молекулярні механізми «підняли» кору мозку людини на принципово інший рівень складності в порівнянні з іншими тваринами, вчені порівняли активності регуляторних генетичних елементів людини, миші і макака резусу на різних стадіях ембріогенезу. Виявилося, що у людини багато регуляторні елементи істотно відрізняються від мишачих і мавпячих епігенетичних ландшафтом: профілем модифікованих гістонів, «маркованих» тільки активні енхансери і промотори. Людські енхансери з мітками активності дозволяють регульованим генам транскрибуватися в більшій кількості мозкових структур і відповідають за розмноження клітин-попередників нейронів, регуляцію їх клітинного циклу і синтез позаклітинного матриксу. Завдяки цим процесам кора головного мозку людини стає складніше вже на ранніх стадіях розвитку.
В процесі еволюції кора головного мозку людей істотно збільшилася в розмірах і ускладнилася за своїм устроєм в порівнянні з іншими близькими видами тварин. Нашими інтелектуальними здібностями і вищим рівнем свідомості ми зобов'язані складно організованою корі. А вона, в свою чергу, виникає завдяки деяким модифікаціям процесу ембріонального розвитку людини щодо родинних йому тварин. У людини більше типів клітин-попередників нейронів і більше їх загальна кількість. В ході формування мозку зародка дещо відрізняються шляху міграції нейронів, виникають нові зв'язки між функціональними центрами (рис. 1).
Малюнок 1. Розвиток кори головного мозку людини на 7, 8,5 і 12 тижнях після запліднення. На цих стадіях відбувається розмноження клітин-попередників нейронів і їх міграція з глибоких шарів (VZ, вентрикулярная зони) на поверхню (CP, кортикальна пластинка), де вони формують кору головного мозку. Кількість і різноманітність клітин-попередників нейронів на цих етапах, а також їх шляху міграції до остаточного розташування визначають майбутню складність кори головного мозку. малюнок з [2] .
Щоб зрозуміти, як людський мозок досяг такого високого рівня розвитку, можна спробувати знайти гени, завдяки роботі яких в ході ембріонального розвитку формується більш складна, ніж у інших тварин, структура мозку. Наприклад, недавно вчені виявили ген, якого немає навіть у найближчого з родичів людини - шимпанзе, - і який безпосередньо впливає на розмір великих півкуль [1] . Якщо отримати трансгенних щурів з таким людським геном, розмір головного мозку у них буде значно більше, ніж у «нормальних» родичів.
Крім того, можна шукати гени, чиї аналоги є і у інших тварин, але які з якихось причин посилили свою роботу у людини, що вплинуло на процес розвитку його мозку. При цьому можна ставити питання і по-іншому - сфокусуватися нема на виявленні генів, які стали працювати у людини активніше, а на пошуку причин, які спонукали ці гени змінити активність.
Саме так і вчинили вчені з Єльського університету : Досліджували стан регуляторних ділянок ДНК - енхансером і промоторів , Що визначають активності розташованих по сусідству генів [2] . Для цих ділянок характерні певні мітки (ацетильовані і метиловані гістони - H3K27ac і H3K4me2), присутність яких пов'язують з інтенсивністю роботи регуляторного елемента *. Дослідники порівняли розподіл цих міток в ДНК кори головного мозку зародків людини, миші і макака резусу на стадіях, що відповідають 7, 8,5 і 12 тижнях людського ембріогенезу, коли починають проявлятися відмінності в розвитку мозку людини та інших тварин.
Спочатку вчені виявили, у яких людських енхансером значно більше міток в клітинах кори мозку в порівнянні з клітинами інших тканин. Всього досліджували 22 139 промоторів і 52 317 енхансером, активних на тій чи іншій стадії розвитку людського мозку. Одночасно двома типами маркерних гістонів (H3K27ac і H3K4me2) виявилися відзначені 85% промоторів і 45% енхансером. Були виявлені також 16 473 енхансера, найбільш сильно марковані H3K27ac в корі мозку в порівнянні з іншими тканинами. Бóльшее їх кількість була зосереджена в околицях генів, залучених в розвиток кори (наприклад, стимулюючих нейрогенез і ділення клітин-попередників нейронів).
Таку ж роботу по виявленню активних регуляторних елементів і міток активності на них в корі мозку і інших тканинах зародка виконали на мишах і макаках. Після цього приступили до найцікавішого - порівняно даних. По-перше, виявилося, що розподіл міток активності енхансером і промоторів в різних тканинах людини більш схоже з розподілом у макака резусу, ніж у миші. Напевно, цей результат нікого не здивував, проте підтвердив існування зв'язку між ступенем схожості епігенетичних профілів і еволюційної дистанцією між організмами. По-друге, виявили, що 2 855 промоторів і 8 996 енхансером клітин людського мозку придбали в процесі еволюції більше активних міток в порівнянні з двома іншими видами тварин. Досліджені регуляторні елементи не відрізнялися більшою кількістю нуклеотидних замін у порівнянні з іншими ділянками ДНК, тобто основним їх відмінністю (як у людини, так і у макака з мишею) були саме епігенетичні мітки.
Чи можуть такі епігенетичні відмінності приводити до істотних змін в процесі розвитку кори? Щоб перевірити це, вчені вирішили дати енхансером з різних організмів рівні шанси проявити себе, ввівши їх в один і той же організм. За допомогою репортерного вектора Hsp68-lacZ [5] вони одержали трансгенні ембріони мишей, у яких під контроль людського або мавпячого енхансера був поставлений ген lacZ бактерії Escherichia coli, активність якого легко простежити по фарбуванню середовища, що містить X-gal , В блакитний колір. В результаті експерименту було показано, що людський енхансер викликав найбільшу активність репортерного гена, причому в більшій кількості відділів мозку ембріона.
Підтвердивши, що епігенетичні відмінності пов'язані з локалізацією і інтенсивністю роботи регуляторного елемента, вчені вирішили з'ясувати, якими саме генами керують «марковані» енхансери і промотори в клітинах кори головного мозку людини. Для цього вони використовували дані по активностей генів на тих стадіях ембріонального розвитку, коли виникають розбіжності в розвитку мозку людини в порівнянні з іншими тваринами.
Виявилося, що можна виділити кілька наборів коекспрессірующіхся генів, якими управляв найбільше регуляторних елементів людини, рясно маркованих модифікованими гистонами. Один з наборів відповідав за розмноження клітин-попередників нейронів, інший регулював клітинний цикл попередників нейронів, третій впливав на напрацювання позаклітинного матриксу, що визначає напрямок міграції клітин-попередників нейронів в мозку зародка.
Виходить, що складність нашої вищої нервової діяльності в значній мірі визначається епігенетичними факторами.
- Florio M., Albert M., Taverna E., Namba T., Brandl H., Lewitus E. et al (2015). Human-specific gene ARHGAP11B promotes basal progenitor amplification and neocortex expansion . Science. doi: 10.1126 / science.aaa1975;
- Reilly SK, Yin J., Ayoub AE, Emera D., Leng J., Cotney J. et al. (2015). Evolutionary changes in promoter and enhancer activity during human corticogenesis . Science. 347, 1155-1159;
- Енхансери транскрибируются раніше інших генетичних елементів в ході клітинних відповідей ;
- Транскрипція в хроматині: як проходити крізь стіни ;
- Kothary R., Clapoff S., Darling S., Perry MD, Moran LA, Rossant J. (1989). Inducible expression of an hsp68-lacZ hybrid gene in transgenic mice . Development. 105, 707-714 ..
