Подібно до цінних рецептів, що передаються з покоління в покоління, є лише деякі ділянки ДНК, які еволюція не наважується змінити. Наприклад, ссавці мають різноманітні закодовані послідовності, які залишалися недоторканими протягом мільйонів років.
Люди є дивним винятком із цього клубу. Чомусь рецепти, які довго зберігалися нашими давніми предками, раптово були «приправлені» протягом короткого еволюційного періоду часу.
Оскільки ми єдиний вид, у якого ці регіони були переписані так швидко, їх називають « людськими прискореними регіонами » (або HAR). Більше того, вчені вважають, що принаймні деякі HAR можуть стояти за багатьма якостями, які відрізняють людей від їхніх близьких родичів, таких як шимпанзе та бонобо.
На чолі з обчислювальним біологом Кеті Поллард, директором Інституту даних та біотехнології Гладстона в США, група дослідників виявила HAR майже два десятиліття тому, порівнюючи геноми людини та шимпанзе.
У новому дослідженні команда Полларда виявила, що тривимірне згортання ДНК людини в ядрі є ключовим фактором у цей ключовий момент для нашого виду.
Уявіть відрізок ДНК нашого останнього спільного предка з шимпанзе як довгий шарф, обмотаний навколо вашої шиї, зі смугами різних кольорів, що проходять по всій довжині.
Тепер уявіть, що хтось намагався зробити такий самий шарф, але він не дотримувався оригінального шаблону. Деякі смуги вужчі, деякі ширші, а деякі мають кольори в іншому порядку, ніж оригінальний.
Коли ви обертаєте новий шарф навколо шиї так само, як і оригінальний, смуги, які розташовані поруч одна з одною в петлі, вже не ті самі.
Як і цей шарф, велика різниця між ДНК людини та шимпанзе є структурною: великі шматки будівельних блоків ДНК були вставлені, видалені або перегруповані в геномі людини. Отже, ДНК людини в ядрі згортається інакше, ніж ДНК інших приматів.
Команда Полларда досліджувала, чи могли ці структурні зміни в ДНК людини та її змінене тривимірне згортання призвести до «викрадення» певних генів у межах HAR, зв’язуючи їх з іншими генами, що кодують білки, ніж вони спочатку застосовувалися.
Багато генів у межах HAR пов’язані з іншими генами, діючи як енхансери (тобто вони збільшують транскрипцію свого зв’язаного гена/ів).
«Енхансери можуть впливати на активність будь-якого гена, який знаходиться поруч, що може змінюватися залежно від способу згортання ДНК», — сказала Поллард.
У дослідженні, опублікованому на початку цього року , команда Полларда створила модель, яка припускає, що швидкі варіації HAR у ранніх людей часто протистояли одна одній, змінюючи активність енхансера вгору та вниз у своєрідному генетичному налаштуванні – модель підтримується їхні нові дослідження.
У своєму останньому дослідженні команда порівняла геноми 241 виду ссавців за допомогою машинного навчання, щоб впоратися з великою кількістю даних.
Вони ідентифікували 312 HAR і дослідили, де вони розташовані в тривимірних «районах» згорнутої ДНК. Майже 30 відсотків HAR були в областях ДНК, де структурні варіації спричинили інше згортання геному у людей порівняно з іншими приматами.
Команда також виявила, що околиці, що містять HAR, багаті генами, які відрізняють людей від наших найближчих родичів, шимпанзе.
В експерименті, який порівнював ДНК у зростаючих стовбурових клітинах людини та шимпанзе, одна третина ідентифікованих HAR була транскрибована спеціально під час розвитку неокортекса людини.
Багато HAR відіграють важливу роль у розвитку ембріона, особливо у формуванні нейронних шляхів, пов’язаних з інтелектом, читанням, соціальними навичками, пам’яттю, увагою та фокусом – риси, які, як ми знаємо, значно відрізняються у людей від інших тварин.
У HAR ці гени-енхансери, незмінні протягом мільйонів років, можливо, повинні були адаптуватися до своїх різних цільових генів і регуляторних доменів.
«Уявіть, що ви енхансер, який контролює рівень гормонів у крові, а потім ДНК згортається по-новому, і раптом ви сидите поруч із геном нейромедіатора, і вам потрібно регулювати рівень хімічних речовин у мозку, а не в крові», — сказала Поллард.
«Відбувається щось велике, як ця масштабна зміна у згортанні геному, і наші клітини повинні швидко це виправити, щоб уникнути еволюційного недоліку».
Ми ще не розуміємо, як саме ці зміни вплинули на конкретні аспекти розвитку нашого мозку та як вони стали невід’ємною частиною ДНК нашого виду. Хоча Поллард і її команда вже планують заглибитися в ці питання.
Але їхні дослідження показують, наскільки унікальною та малоймовірною є еволюція людського мозку.
Це дослідження було опубліковано в Science.