Myszy z wszczepionym ludzkim DNA mają większe mózgi

Autor: Ed Yong

Od około 5 do 7 milionów lat ewolucji dzieli nas od naszych najbliższych krewnych – szympansów. Przez ten czas nasze ciała znacznie rozwinęły się, podobnie jak umiejętności umysłowe jakie posiadamy. Stworzyliśmy język mówiony i pisany, matematykę i zaawansowane technologie – między innymi urządzenia, które mogą sekwencjonować nasz genom. Dzięki nim odkryto, że genetyczny dystans między nami, a szympansami, jest subtelniejszy niż myślano: dzielimy z naszymi kuzynami około 96 do 99 % DNA.

Niektóre obszary naszego genomu wyewoluowały ze szczególną prędkością, szybko kumulując mutacje odróżniające je od ich odpowiedników u szympansów. Można znaleźć te regiony porównując różne ssaki i szukając odcinków, które są zawsze takie same, z wyjątkiem tych występujących u ludzi. Naukowcy zaczęli identyfikować te „przyspieszone u ludzi regiony” (z języka angielskiego HAR- humanaccelerated regions), jakąś dekadę temu. Wiele z nich okazało się sekwencjami wzmacniającymi, które same w sobie nie wchodzą w skład genu, lecz kontrolują aktywność poszczególnych genów, dając im sygnał kiedy i gdzie działać. Są raczej czymś w rodzaju trenera niż samego zawodnika.

Skłania to do myślenia, że te szybko ewoluujące wzmacniacze dyrygując naszymi genami doprowadziły do ewolucji najbardziej charakterystycznych cech naszego gatunku. Między innymi do powstania przeciwstawnego kciuka i wyjątkowo dużego mózgu. Istnieją na to dowody. Jeden z obszarów HAR kontroluje aktywność genów w części ręki, która posiada zawiązki kciuka. Wiele innych możemy odnaleźć  w pobliżu genów zaangażowanych w rozwój mózgu, a co najmniej dwaaktywne podczas jego wzrostu. Dotychczas zebrano wiele nieodpartych dowodów, lecz pozostaje pytanie – co właściwie te sekwencje robią?

By znaleźć odpowiedź J. Lomax Boyd z Uniwersytetu Duke’a przeanalizował listę obszarów HAR w poszukiwaniu tych, które są prawdopodobnie wzmacniaczami. Wytypowano obszar HARE5. Został on zidentyfikowany, ale właściwie nigdy nie był dokładnie przebadany. Podejrzewano tylko, że bierze udział w kontroli aktywności genów zaangażowanych w rozwój mózgu. Ludzka wersja różni się od szympansiej tylko 16 „literami” DNA. Jednak okazało się, że te 16 zmian stanowi wielką różnicę.

Boyd i współpracownicy wprowadzili ludzką i szympansią wersję HARE5 do organizmów dwóch oddzielnych grup myszy. Dodatkowo, by oznaczyć omawiany wzmacniacz, zastosowali niebieski barwnik. Gdy zespół badał zarodki rozwijających się zwierząt, zaobserwował, że poszczególne części ciała gryzoni stają się niebieskie. Były to fragmenty, w których HARE5 przejawiały aktywność –obszary, gdzie doszło do działania wzmacniaczy.

Embrion myszy

W dziewiątym dniu życia zarodki myszy zaczynają budować swój mózg, niewiele później zaczynają działać HARE5. Badacze zauważyli, że ludzka wersja tych obszarów jest znacznie bardziej aktywna od tej występującej u szympansów.Owocuje to większym mózgiem i nieco szybszym startem.

HARE5 wydaje się szczególnie aktywny w komórkach macierzystych produkujących mózgowe neurony. Ludzka wersja tego wzmacniacza przyczynia się do szybszego podziału komórek macierzystych – dzielą się w ciągu zaledwie 9 godzin, w porównaniu z normalnym tempem podziału, który trwa 12. Tak więc w danym okresie czasu, myszy z ludzkim HARE5 wytworzyły więcej macierzystych komórek nerwowych, niż te posiadające wersję szympansią. W rezultacie miały większą liczbę neuronów.

A co za tym idzie, rozwinęły większe mózgi. Różnica w wielkości doszła do 12% w porównaniu do ich odpowiedników z drugiej grupy. „Nie spodziewaliśmy się aż tak dramatycznej różnicy” mówi Debra Silver, która przewodniczyła badaniu.

“Nasze odkrycie jako jedne z pierwszych badań potwierdza czynnościowy wpływ jednego z podanych obszarów HAR” dodaje. „Pokazuje jak zaledwie kilka zmian w naszym DNA może w znacznym stopniu wpływać na sposób rozwoju mózgu. Testy przeprowadzaliśmy tylko na myszach więc nie jesteśmy w stanie stwierdzić czy podobne rezultaty wystąpiłyby u ludzi. Istnieją jednak silne dowody wskazujące na to, że jest to ze sobą powiązane.”

„Jestem podekscytowana tym, że ludzie zajęli się badaniem tego problemu (obszarów HAR) i dowiadują się do czego one służą,” mówi Katherine Pollard z Instytutu Gladstone’a, będąca jedną z pierwszych badaczek, wśród naukowców którzy zidentyfikowali omawiane sekwencje. „ Naprawdę trudno było dowiedzieć się, co do licha te fragmenty robią. Badanie każdego trwa latami. Ci ludzie, pokazując zmiany w cyklu komórkowym i w wielkości mózgu, zrobili więcej niż cała reszta.”

„Myszy wykorzystano bardzo mądrze, pozwoliło to na ujawnienie  różnic między ludźmi a szympansami” twierdzi Arnold Kriegsteinz Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco. „Różnica w wielkości mózgu nie jest kolosalna, jednak idzie to we właściwym kierunku”.

Nie przekonuje to Eddy’egoRubin’a z Joint Genome Institute w Stanach Zjednoczonych. Jego troskę budzi fakt, że metody stosowane przez zespół mogły obarczyć myszy wieloma kopiami HARE5 umieszczonymi w różnych obszarach ich genomu. W rezultacie nie można być do końca pewnym, czy różnice pomiędzy dwiema badanymi grupami gryzoni powstały właśnie wskutek takiego przebiegu sprawy, czy też ich przyczyną jest wspominane 16 sekwencji wzmacniających różniących ludzi od szympansów. „To rzuca znaczny cień na wyciągnięte wnioski” mówi Rubin. „Jest to interesujące badanie poruszające ważne kwestie, jednak wyniki powinny być przyjmowane z przymrużeniem oka.”

Zespół Silver nadal kontynuuje badania nad HARE5. Teraz gdy myszy osiągnęły wiek dorosły, można przeprowadzić testy pokazujące, czy osobniki z większymi mózgami zachowują się inaczej. Jest to bardzo istotne. Nie zawsze większy mózg idzie w parze ze zwiększoną inteligencją. Naukowcy przyglądają się również kilku innym sekwencjom wzmacniającym. Na przykład jedna z nich prawdopodobnie kontroluje geny wpływające na wzrost neuronów.

“Myślę, że HARE5 to tylko wierzchołek góry lodowej,” twierdzi Silver. „Prawdopodobnie jest to jeden z wielu regionów, które wyjaśniają dlaczego nasze mózgi są większe od szympansich. Teraz, gdy wstępnie mamy już próbny wzorzec, możemy rozpocząć poszukiwania pozostałych wzmacniaczy.”

Not Exactly Rocket Science, 19 luty 2015

Tłumaczenie: Justyna Trawińska

Polskie tłumaczenie ukazuje się równolegle w Listach z naszego sadu.