В процессе эволюции кора головного мозга людей существенно увеличилась в размерах и усложнилась по своему устройству по сравнению с другими близкими видами животных. Нашими интеллектуальными способностями и более высоким уровнем сознания мы обязаны сложно организованной коре. А она, в свою очередь, возникает благодаря некоторым модификациям процесса эмбрионального развития человека относительно родственных ему животных. У человека больше типов клеток-предшественников нейронов и больше их общее количество. В ходе формирования мозга зародыша несколько отличаются пути миграции нейронов, возникают новые связи между функциональными центрами (рис. 1).

Чтобы понять, как человеческий мозг достиг такого высокого уровня развития, можно попытаться найти гены, благодаря работе которых в ходе эмбрионального развития формируется более сложная, чем у других животных, структура мозга. К примеру, недавно ученые обнаружили ген, которого нет даже у ближайшего из родственников человека — шимпанзе, — и который напрямую влияет на размер больших полушарий [1]. Если получить трансгенных крыс с таким человеческим геном, размер головного мозга у них будет значительно больше, чем у «нормальных» сородичей.

Кроме того, можно искать гены, чьи аналоги есть и у других животных, но которые по каким-то причинам усилили свою работу у человека, что повлияло на процесс развития его мозга. При этом можно ставить вопрос и по-другому — сфокусироваться не на выявлении генов, которые стали работать у человека активнее, а на поиске причин, которые побудили эти гены изменить активность.

Именно так и поступили ученые из Йельского университета: исследовали состояние регуляторных участков ДНК — энхансеров и промоторов, определяющих активности расположенных по соседству генов [2]. Для этих участков характерны определенные метки (ацетилированные и метилированные гистоны — H3K27ac и H3K4me2), присутствие которых связывают с интенсивностью работы регуляторного элемента*. Исследователи сравнили распределение этих меток в ДНК коры головного мозга зародышей человека, мыши и макака резуса на стадиях, соответствующих 7, 8,5 и 12 неделям человеческого эмбриогенеза, когда начинают проявляться различия в развитии мозга человека и других животных.

* — Последовательность активации различных участков ДНК при стимуляции описана в статье «Энхансеры транскрибируются раньше других генетических элементов в ходе клеточных ответов» [3], а «анатомия и физиология» гистонов затронута в обзоре «Транскрипция в хроматине: как проходить сквозь стены» [4]. — Ред.

Сначала ученые выявили, у каких человеческих энхансеров значительно больше меток в клетках коры мозга по сравнению с клетками других тканей. Всего исследовали 22 139 промоторов и 52 317 энхансеров, активных на той или иной стадии развития человеческого мозга. Одновременно двумя типами маркерных гистонов (H3K27ac и H3K4me2) оказались отмечены 85% промоторов и 45% энхансеров. Были выявлены также 16 473 энхансера, наиболее сильно маркированные H3K27ac в коре мозга по сравнению с другими тканями. Бóльшее их количество было сосредоточено в окрестностях генов, вовлеченных в развитие коры (например, стимулирующих нейрогенез и деление клеток-предшественников нейронов).

Такую же работу по выявлению активных регуляторных элементов и меток активности на них в коре мозга и других тканях зародыша проделали на мышах и макаках. После этого приступили к самому интересному — сравнению данных. Во-первых, оказалось, что распределение меток активности энхансеров и промоторов в разных тканях человека более сходно с распределением у макака резуса, чем у мыши. Наверное, этот результат никого не удивил, однако подтвердил существование связи между степенью сходства эпигенетических профилей и эволюционной дистанцией между организмами. Во-вторых, обнаружили, что 2 855 промоторов и 8 996 энхансеров клеток человеческого мозга приобрели в процессе эволюции больше активных меток по сравнению с двумя другими видами животных. Исследованные регуляторные элементы не отличались бóльшим количеством нуклеотидных замен по сравнению с другими участками ДНК, то есть основным их отличием (как у человека, так и у макака с мышью) были именно эпигенетические метки.

Могут ли такие эпигенетические различия приводить к существенным изменениям в процессе развития коры? Чтобы проверить это, ученые решили дать энхансерам из разных организмов равные шансы проявить себя, введя их в один и тот же организм. С помощью репортерного вектора Hsp68-lacZ [5] они получили трансгенные эмбрионы мышей, у которых под контроль человеческого или обезьяньего энхансера был поставлен ген lacZ бактерии Escherichia coli, активность которого легко проследить по окрашиванию среды, содержащей X-gal, в голубой цвет. В результате эксперимента было показано, что человеческий энхансер вызывал наибольшую активность репортерного гена, причем в большем количестве отделов мозга эмбриона.

Подтвердив, что эпигенетические различия связаны с локализацией и интенсивностью работы регуляторного элемента, ученые решили выяснить, какими именно генами управляют «маркированные» энхансеры и промоторы в клетках коры головного мозга человека. Для этого они использовали данные по активностям генов на тех стадиях эмбрионального развития, когда возникают различия в развитии мозга человека по сравнению с другими животными.

Оказалось, что можно выделить несколько наборов коэкспрессирующихся генов, которыми управляло больше всего регуляторных элементов человека, обильно маркированных модифицированными гистонами. Один из наборов отвечал за размножение клеток-предшественников нейронов, другой регулировал клеточный цикл предшественников нейронов, третий влиял на наработку внеклеточного матрикса, определяющего направление миграции клеток-предшественников нейронов в мозге зародыша.

Получается, что сложность нашей высшей нервной деятельности в значительной степени определяется эпигенетическими факторами.

Литература

1. 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;
2. Reilly S.K., Yin J., Ayoub A.E., Emera D., Leng J., Cotney J. et al. (2015). Evolutionary changes in promoter and enhancer activity during human corticogenesis. Science. 347, 1155–1159;
3. Энхансеры транскрибируются раньше других генетических элементов в ходе клеточных ответов;
4. Транскрипция в хроматине: как проходить сквозь стены;
5. Kothary R., Clapoff S., Darling S., Perry M.D., Moran L.A., Rossant J. (1989). Inducible expression of an hsp68-lacZ hybrid gene in transgenic mice. Development. 105, 707–714..