Изучение уникальных генов, лежащих в основе нашего большого мозга
Группа генов, которая встречается только у людей и возникла у наших предков 3–4 миллиона лет назад, возможно, стала движущей силой эволюции нашего большего мозга.
Это открытие и работа, которая к нему привела, являются предметом двух исследований, опубликованных в журнале. Клетка.
Одно исследование проводилось Калифорнийским университетом (UC) в Санта-Крус, а другое - Свободным университетом Брюсселя в Бельгии.
Полученные данные заполняют пробел в наших знаниях об изменениях, которые стимулировали эволюцию нашего большего мозга и дали нам способность думать и решать проблемы.
Гены, названные NOTCH2NL, принадлежат к очень старому семейству Notch, которое впервые было обнаружено у плодовых мушек; они получили свое название, потому что были связаны с генетическими дефектами, из-за которых у мух были зазубрины крылья.
Как NOTCH2NL увеличивает количество нейронов
Гены Notch существуют «сотни миллионов лет назад» и «играют важную роль в эмбриональном развитии», - говорит Дэвид Хаусслер, профессор биомолекулярной инженерии в Калифорнийском университете в Санта-Крус и соавтор первого исследования.
«Обнаружить, - продолжает он, - что у людей появился новый член этой семьи, который участвует в развитии мозга, очень интересно».
Исследователи обнаружили, что человеческие гены NOTCH2NL, по-видимому, играют ключевую роль в развитии коры головного мозга человека, средоточия продвинутых когнитивных способностей, таких как мышление и язык.
Гены сильно экспрессируются в нервных стволовых клетках коры головного мозга и задерживают их созревание до определенных типов клеток.
Эта задержка приводит к накоплению большего пула стволовых клеток, что, в свою очередь, приводит к образованию большего количества нейронов в ходе развития мозга.
Гены усиливают передачу сигналов во время развития
Гены NOTCH2NL расположены в области человеческого генома - «длинном плече хромосомы 1», которая связана с несколькими нарушениями психического развития, такими как аутизм, микроцефалия, макроцефалия и шизофрения.
Некоторые расстройства связаны с дублированием больших участков ДНК, а некоторые - с делециями. Они известны под общим названием «синдромы делеции / дупликации 1q21.1».
Белки, кодируемые семейством генов Notch, связаны с передачей сигналов внутри клеток, а также между клетками.
Многие из этих сигналов управляют судьбой стволовых клеток - например, дифференцироваться ли они в клетки мозга или клетки сердца - во многих частях тела.
Исследователи обнаружили, что гены NOTCH2NL кодируют белки, которые «усиливают» передачу сигналов Notch.
«Передача сигналов Notch, - объясняет соавтор исследования доктор Софи Р. Салама, научный сотрудник в области биомолекулярной инженерии в Калифорнийском университете в Санта-Крус, - уже была известна своей важной ролью в развивающейся нервной системе».
«NOTCH2NL, по-видимому, усиливает передачу сигналов Notch, что приводит к повышенной пролиферации нервных стволовых клеток и задержке нервного созревания», - добавляет она.
«Ошибки копирования ДНК»
Однако доктор Салама отмечает, что гены - всего лишь часть гораздо большего процесса, который контролирует развитие коры головного мозга человека: они не «действуют в вакууме».
Они вступили в игру в «провокационный период человеческой эволюции». Ей и ее коллегам также показалось интересным, что гены связаны с нарушениями развития.
Похоже, что «ошибки копирования ДНК», которые имели место у наших предков, которые привели к возникновению генов NOTCH2NL, имеют тот же тип, что и те, которые вызывают неврологические нарушения при синдроме делеции / дупликации 1q21.1.
Обычно ошибки возникают в тех местах на хромосомах, которые имеют длинные последовательности ДНК, которые «почти идентичны».
«Эти длинные сегменты ДНК, которые почти идентичны, могут сбивать с толку механизм репликации и вызывать нестабильность в геноме», - объясняет профессор Хаусслер.
Как это ни парадоксально, похоже, что процесс дупликации гена в области хромосомы 1, который дал нам наш более крупный мозг, также может быть ответственным за то, что мы уязвимы для синдрома делеции / дупликации 1q21.1.
Используя инструменты секвенирования, исследователи обнаружили восемь версий NOTCH2NL у современных людей и подозревают, что их предстоит открыть.
Каждая версия NOTCH2NL немного отличается в последовательности своей ДНК, но какой эффект до сих пор остается загадкой.
Гены показали незначительные различия при тестировании в клетках, выращенных в лаборатории. Однако, по словам доктора Саламы, «предстоит еще много работы», чтобы выяснить, что означают эти различия.
«Мы обнаружили, что все они могут способствовать передаче сигналов Notch».
Д-р Софи Р. Салама
