Почти невъзможно случайно събитие преди един милион години завинаги е променило човешкия мозък

ДНК молекулата на човека и шимпанзето е 98,8% идентична, но защо тогава сме толкова различни? Науката доказа, че хората са се отделили от най-близките си роднини – африканските човекоподобни маймуни преди около шест-седем милиона години в резултат на генетични мутации. Наскоро учените показаха, че важни структурни промени в геномите на нашите предци може да са довели до по-фини промени в регулацията на генетичната активност, свързана с развитието на мозъка, които отличават човешкия мозък от този на другите примати.

Ключово откритие за разбирането на човешката еволюция

Шимпанзетата и бонобо са най-близките живи роднини на хората. Последният общ прародител на хората и шимпанзетата е живял преди около 6-7 милиона години. След това хората и шимпанзетата са поели по различни еволюционни пътища. Последните са продължили да ходят на четири крака и да живеят по дърветата, докато хората са изгубили козината си и са застанали изправени, но най-важното е, че размерът на техния мозък съществено се е увеличил.

Изградени са няколко теории, които обясняват това нарастване на мозъчната маса: влиянието на околната среда, развитието на все по-сложни социални взаимоотношения и други. Нито една от тях не отговаря напълно на еволюционните доказателства.

Изследователи от Института за наука за данните и биотехнологии „Гладстон“ в САЩ наскоро предложиха трета алтернатива/обяснение, базирано на надеждни генетични данни. Според тях на нас просто ни е провървяло в резултат на взаимодействието на конкретните точно определени генетични мутации, а може би се е намесил някакъв неизвестен засега страничен фактор. Преди повече от един милион години големи фрагменти от човешкия геном са били пренаредени, т.е. структурата на генома се е променила. След това тези промени са предизвикали каскада от други бързи промени в човешката ДНК, които са в основата на уникалните човешки характеристики, особено тези, свързани с мозъка. Научната работа е публикувана в списание Nature.

Безпрецедентните промени в човешкия геном

Сравнявайки геномите на човека и шимпанзето отпреди 20 години, д-р Кати Полард, директор на Института за наука за данните и биотехнологии „Гладстон“ и водещ автор на новото проучване, открива ДНК области, които са били стабилни при бозайниците в продължение на хилядолетия, но внезапно са се променили при ранните хора. Тези области бяха наречени HAR (Human Accelerated Regions) или Ускорени Човешки Региони.

HARs са почти идентични при всички хора, но се различават между хората и всички останали бозайници. Тези еволюционно запазени последователности са придобили изненадващо голям брой нуклеотидни замени в човешкия геном след разминаването с общия ни прародител шимпанзето.

Предишни проучвания показаха, че много HAR са активатори на генната регулация, които функционират по време на ембрионалното развитие, особено в развитието на мозъка. Но досега техният произход и роля в диференциацията на човека и по-специално на шимпанзето бяха неизвестни.

Затова Полард и колегите ѝ се интересуват дали други промени в ДНК, заобикаляща HAR зоните, могат да помогнат за обяснението на техния произход. В сътрудничество с The Zoonomia Project, проект за изследване на геномите на бозайниците, изследователите са анализирали HAR и заобикалящата ги ДНК в 241 генома на бозайници.

Кати Полард обяснява: „Открихме, че много от HARs се намират в области на ДНК, където структурните варианти са довели до това, че човешкият геном е нагънат по по-различен начин, отколкото при другите примати. Това ни даде представа по какъв начин HAR зоните са се появили“.

Всъщност местоположението на HAR в генома е важно за генните активатори. Както обясняват авторите, те влияят на активността на всеки ген намиращ се в непосредствена близост, която може да варира в зависимост от това как е сгъната ДНК.

За да изследват връзката между HAR зоните и сгъването на ДНК, учените са използвали модел за машинно обучение, разработен преди това за прогнозиране на моделите на сгъване на ДНК, и са го приложили към ДНК последователности на хора и шимпанзета. Компютърът прогнозира, че почти 30% от HAR са разположени в области на генома, които се нагъват по по-различен начин при хората, отколкото при шимпанзетата. Тези структурни варианти са резултат от големи вмъквания, изтривания и геномни пренареждания.

В самата научна работа е даден следният сравнителен пример:

Представете си цялата дължина на ДНК молекулата на нашия последен общ прародител с шимпанзетата като дълъг шал, увит около врата ви, с ивици от различни цветове, които са разположени по цялата му дължина.

Сега си представете, че някой се е опитал да направи абсолютно същия шал, но не е следвал съвсем точно оригиналния модел и е направил специални промени. Някои от ивиците са по-тесни, други са по-широки, а някои имат цветове в различен ред от оригинала.

Когато увиете новия шал около врата си по същия начин като оригиналния, ивиците, които стоят една до друга в навивките, вече не са същите.

Подобно на този шал, твърде голямата разлика между ДНК на човека и ДНК на шимпанзето е структурна: големи части от градивните елементи на ДНК са вмъкнати, изтрити или пренаредени в човешкия геном. Така човешката ДНК се сгъва по различен начин в ядрото на клетката в сравнение с ДНК на други примати.

Д-р Катлийн Кийф, съавтор на изследването, казва: „Разбрахме, че тези специфични за човека структурни промени може да са създали благоприятни условия за бързата еволюция на HAR в човешкия прародител, след като са останали почти непроменени през милионите години еволюция на бозайниците“.

Това вече е научно доказан факт, но не се знае какво е довело до тези резки промени в човешкия геном, които в крайна сметка водят до бързо прогресивно развитие на човешкия мозък и като следствие от това – на човешкия интелект.

HAR е ключът към разкриването на нашата история и нашето бързо развитие

Еволюцията на човека, както и на другите видове, не следва правата линия. Вместо това много видове са се разграничили от общите си предци като клони на храст. Нашият вид, Хомо сапиенс, е единственият, който оцелява. Но в миналото е имало много случаи, когато няколко ранни човешки вида са живеели заедно. Един от ключовете за разбиране на нашата еволюция и появата на Homo sapiens може да се крие в именно в HAR зоните.

Полард добавя: „Когато се случи нещо важно, като например мащабна промяна в сгъването на генома като настоящата, клетките ни трябва да го поправят бързо, за да избегнат еволюционното неблагополучие. Въпреки че прогнозите на модела с машинно обучение показват, че в близост до HAR зоните са настъпили големи структурни промени, те не показват кои гени са попаднали под техен контрол“.

Анализирайки мозъчни клетки на хора и шимпанзета, получени от стволови клетки, авторите са успели да определят кои ДНК области са най-близки до стотици различни HAR зони. В много случаи те откриват, че човешките HAR са в съседство с гени, за които е известно, че играят роля в развитието на мозъка; в някои случаи съседните гени са свързани и с невроразвитието и с психичните заболявания.

Интересно е, че почти всички HAR играят роля в развитието на ембриона, особено във формирането на невронните пътища, свързани с интелекта, четенето, социалните умения, паметта, вниманието и фокуса – черти, които знаем, че силно се различават при хората в сравнение с всички други другите животни.

„Представете си, че сте нещо като усилвател с регулатор, който контролира нивата на хормоните в кръвта и изведнъж ДНК молекулата започва да се сгъва по друг начин и изведнъж се оказвате до гена на невротрансмитер и започвате да регулирате химичните нива в мозъка вместо в кръвта, както е било досега“ – добавя Кейтрин Полард.

Тези изследвания показаха колко уникална и колко нищожно вероятна е изведнъж стартиралата еволюция на човешкия мозък.

Екипът възнамерява допълнително да проучи защо огромните структурни промени са оцелели през времето и как HAR зоните са повлияли на развитието на човешкия мозък.