Случайно събитие преди 1 милион години променя завинаги човешкия мозък
Преди повече от милион години огромни елементи от човешкия геном са били пренаредени - инцидентно събитие по време на образуването на яйцеклетките или сперматозоидите, което е довело до заличаване, повтаряне или смяна на сектори от ДНК. Тези структурни разновидности, открити в този момент от учените, евентуално са сложили началото на каскада от други бързи промени в човешката ДНК, които може да са в основата на неповторими човешки характерности, изключително на мозъка.
Новото изобретение, публикувано в списание Science, е резултат от изследване, анализиращо по какъв начин сектори от ДНК, наречени " човешки ускорени сектори " (или HAR - 'human accelerated regions'), се разграничават сред хората и шимпанзетата. Участъците HAR са съвсем идентични измежду всички хора, само че се разграничават сред хората и всички други бозайници. Изследователите от дълго време се питат за какво тези последователности - доста от които управляват развиването на мозъка - са се трансформирали толкоз бързо в ранната еволюция на индивида.
" Открихме, че доста от HAR са в области на ДНК, където структурните разновидности са довели до друго нагъване на генома при хората спрямо други примати ", изяснява доктор Кейти Полард (Katie Pollard), шеф на Института за данни и биотехнологии " Гладстон " и водещ създател на новото изследване. " Това ни даде визия по какъв начин HAR може да са зародили преди всичко. "
При сравняването на геномите на индивида и шимпанзето преди близо две десетилетия Полард открива сектори от ДНК - в този момент наречени HAR - които са били постоянни при бозайниците в продължение на хилядолетия, само че ненадейно са се трансформирали при ранните хора. Оттогава лабораторията ѝ демонстрира, че множеството HAR са енхансери - къси сектори от ДНК, които контролират интензивността на гени, свързани с развиването на мозъка. Изследователите обаче към момента имат доста въпроси по отношение на това по какъв начин са се появили HAR и каква роля играят те за разграничаването на хората от другите примати.
Полард и нейните сътрудници се интересуват дали други промени в ДНК, заобикалящи HAR, могат да оказват помощ за обяснението на техния генезис. В съдействие с проекта Zoonomia - интернационално съдействие за проучване на геномите на бозайниците - откривателите проучват HAR и заобикалящата ги среда в 241 генома на бозайници. Те стигат до заключението, че HAR нормално се намират в области на човешкия геном, които имат огромни структурни разлики спрямо други бозайници.
След това учените изследват дали структурните разлики към HAR могат да трансформират метода на прегъване на ДНК. " Начинът, по който геномът се сгъва в триизмерното пространство като оригами, е изключително значим за енхансерите ", изяснява Полард, който е и професор в Калифорнийския университет в Сан Франциско и откривател в Chan Zuckerberg Biohub. " Това е по този начин, тъй като енхансерите могат да повлияят на интензивността на всеки ген, който се намира наоколо до тях, което може да варира според от метода на прегъване на ДНК. "
За да изследва връзката сред HAR и сгъването на ДНК, екипът на Полард употребява създаден преди този момент модел за машинно образование за предсказание на моделите на прегъване на ДНК и го ползва към ДНК последователности на хора и шимпанзета. След това те разпознават областите от генома, които се нагъват по друг метод при хората. Компютърът предвижда, че близо 30 % от HAR са в области на генома, които се нагъват по друг метод при хората спрямо шимпанзетата.
" Осъзнахме, че тези характерни за индивида структурни промени може да са основали подобаваща среда за бързото развиване на HAR в човешкия предшественик, откакто са останали съвсем същите през милионите години на еволюция на бозайниците ", споделя доктор Катлийн Киф (Kathleen Keough), първи създател на проучването и някогашен постдокторант в лабораторията на Полард в Гладстон.
Представете си дължината на ДНК от последния ни общ предходник с шимпанзетата като дълъг шал, завит към врата ви, с линии в разнообразни цветове, които минават през тъканта му по цялата му дължина. А в този момент си представете, че някой се е опитал да направи безусловно същия шал, само че не е следвал изцяло истинския модел. Някои от линиите са по-тесни, други - по-широки, а при някои цветовете са в друг ред от оригинала.
Когато увиете новия шал към врата си по същия метод като оригинала, линиите, които се намират една до друга в примката, към този момент не са идентични. Подобно на този шал, огромната разлика сред човешката и шимпанзешката ДНК е структурна: огромни елементи от градивните детайли на ДНК са вмъкнати, изтрити или пренаредени в човешкия геном. Затова човешката ДНК се нагъва по друг метод в ядрото спрямо ДНК на други примати.
Екипът на Полард изследва дали тези структурни промени в човешката ДНК и нейното променено триизмерно нагъване биха могли да доведат до преместване на избрани гени в границите на HAR, свързвайки ги с гени, кодиращи разнообразни протеини, в сравнение с в началото са били приложени. Много гени в HAR са свързани с други гени, настоящи като енхансери, което значи, че те усилват транскрипцията на свързания/ите с тях ген/и.
Ако ДНК, намираща се наоколо до HAR, се нагъва по друг метод при хората и приближава разнообразни гени до HAR, това би могло да има фрапантни последствия за нашите предшественици. " Представете си, че сте енхансер, който управлява равнищата на хормоните в кръвта, а по-късно ДНК се нагъва по нов метод и внезапно се оказва, че се намирате до ген за невротрансмитер и би трябвало да регулирате равнищата на химичните субстанции в мозъка, вместо в кръвта ", споделя Полард. " Вашите указания към този момент са остарели и би трябвало да бъдат изменени. "
Предвижданията на модела за машинно образование демонстрират, че наоколо до HAR са настъпили огромни структурни промени, само че не демонстрират кои гени са попаднали под техен надзор. За да отговорят на този въпрос, Полард и сътрудниците ѝ организират лабораторни опити, които им разрешават да дефинират в мозъчни кафези на хора и шимпанзета, получени от стволови кафези, кои сектори от ДНК са най-близо до стотици разнообразни HAR.
В доста случаи те откриват, че човешките HAR са покрай гени, за които е известно, че играят роля в развиването на мозъка; в някои случаи околните гени са свързани и с развиването на неврологични или психиатрични болести. Екипът на Полард неотдавна заяви, че вариациите, които бързо са се появили в HAR по време на ранната човешка еволюция, постоянно са се противопоставяли една на друга, като първо са повишавали интензивността на даден енхансер, а по-късно са я понижавали или противоположното. Новите резултати, съгласно нея, се вписват добре в модела, препоръчан в това проучване.
" Случва се нещо огромно, като тази огромна смяна в нагъването на генома, и нашите кафези би трябвало бързо да го поправят, с цел да избегнат постепенен минус ", разяснява Полард. " Но поправката може да е прекомерно комплицирана и да би трябвало да се усъвършенства с течение на времето. "
Макар че новата публикация оказва помощ да се отговори на въпроса по какъв начин HAR може да са се появили първоначално, екипът на Полард към момента има въпроси, които възнамерява да наблюдава, за това за какво солидните структурни промени са оживели през тестването на времето и по какъв начин HAR въздействат върху развиването на човешкия мозък.
Справка: Kathleen C. Keough et al.,Three-dimensional genome rewiring in loci with human accelerated regions. Science 380,eabm1696(2023). DOI: 10.1126/science.abm1696
Източници: A Chance Event 1 Million Years Ago Changed Human Brains Forever, ScienceAlert
Study Suggests Catalyst for Human Brain Evolution, Gladstone Institute
Новото изобретение, публикувано в списание Science, е резултат от изследване, анализиращо по какъв начин сектори от ДНК, наречени " човешки ускорени сектори " (или HAR - 'human accelerated regions'), се разграничават сред хората и шимпанзетата. Участъците HAR са съвсем идентични измежду всички хора, само че се разграничават сред хората и всички други бозайници. Изследователите от дълго време се питат за какво тези последователности - доста от които управляват развиването на мозъка - са се трансформирали толкоз бързо в ранната еволюция на индивида.
" Открихме, че доста от HAR са в области на ДНК, където структурните разновидности са довели до друго нагъване на генома при хората спрямо други примати ", изяснява доктор Кейти Полард (Katie Pollard), шеф на Института за данни и биотехнологии " Гладстон " и водещ създател на новото изследване. " Това ни даде визия по какъв начин HAR може да са зародили преди всичко. "
При сравняването на геномите на индивида и шимпанзето преди близо две десетилетия Полард открива сектори от ДНК - в този момент наречени HAR - които са били постоянни при бозайниците в продължение на хилядолетия, само че ненадейно са се трансформирали при ранните хора. Оттогава лабораторията ѝ демонстрира, че множеството HAR са енхансери - къси сектори от ДНК, които контролират интензивността на гени, свързани с развиването на мозъка. Изследователите обаче към момента имат доста въпроси по отношение на това по какъв начин са се появили HAR и каква роля играят те за разграничаването на хората от другите примати.
Полард и нейните сътрудници се интересуват дали други промени в ДНК, заобикалящи HAR, могат да оказват помощ за обяснението на техния генезис. В съдействие с проекта Zoonomia - интернационално съдействие за проучване на геномите на бозайниците - откривателите проучват HAR и заобикалящата ги среда в 241 генома на бозайници. Те стигат до заключението, че HAR нормално се намират в области на човешкия геном, които имат огромни структурни разлики спрямо други бозайници.
След това учените изследват дали структурните разлики към HAR могат да трансформират метода на прегъване на ДНК. " Начинът, по който геномът се сгъва в триизмерното пространство като оригами, е изключително значим за енхансерите ", изяснява Полард, който е и професор в Калифорнийския университет в Сан Франциско и откривател в Chan Zuckerberg Biohub. " Това е по този начин, тъй като енхансерите могат да повлияят на интензивността на всеки ген, който се намира наоколо до тях, което може да варира според от метода на прегъване на ДНК. "
За да изследва връзката сред HAR и сгъването на ДНК, екипът на Полард употребява създаден преди този момент модел за машинно образование за предсказание на моделите на прегъване на ДНК и го ползва към ДНК последователности на хора и шимпанзета. След това те разпознават областите от генома, които се нагъват по друг метод при хората. Компютърът предвижда, че близо 30 % от HAR са в области на генома, които се нагъват по друг метод при хората спрямо шимпанзетата.
" Осъзнахме, че тези характерни за индивида структурни промени може да са основали подобаваща среда за бързото развиване на HAR в човешкия предшественик, откакто са останали съвсем същите през милионите години на еволюция на бозайниците ", споделя доктор Катлийн Киф (Kathleen Keough), първи създател на проучването и някогашен постдокторант в лабораторията на Полард в Гладстон.
Представете си дължината на ДНК от последния ни общ предходник с шимпанзетата като дълъг шал, завит към врата ви, с линии в разнообразни цветове, които минават през тъканта му по цялата му дължина. А в този момент си представете, че някой се е опитал да направи безусловно същия шал, само че не е следвал изцяло истинския модел. Някои от линиите са по-тесни, други - по-широки, а при някои цветовете са в друг ред от оригинала.
Когато увиете новия шал към врата си по същия метод като оригинала, линиите, които се намират една до друга в примката, към този момент не са идентични. Подобно на този шал, огромната разлика сред човешката и шимпанзешката ДНК е структурна: огромни елементи от градивните детайли на ДНК са вмъкнати, изтрити или пренаредени в човешкия геном. Затова човешката ДНК се нагъва по друг метод в ядрото спрямо ДНК на други примати.
Екипът на Полард изследва дали тези структурни промени в човешката ДНК и нейното променено триизмерно нагъване биха могли да доведат до преместване на избрани гени в границите на HAR, свързвайки ги с гени, кодиращи разнообразни протеини, в сравнение с в началото са били приложени. Много гени в HAR са свързани с други гени, настоящи като енхансери, което значи, че те усилват транскрипцията на свързания/ите с тях ген/и.
Ако ДНК, намираща се наоколо до HAR, се нагъва по друг метод при хората и приближава разнообразни гени до HAR, това би могло да има фрапантни последствия за нашите предшественици. " Представете си, че сте енхансер, който управлява равнищата на хормоните в кръвта, а по-късно ДНК се нагъва по нов метод и внезапно се оказва, че се намирате до ген за невротрансмитер и би трябвало да регулирате равнищата на химичните субстанции в мозъка, вместо в кръвта ", споделя Полард. " Вашите указания към този момент са остарели и би трябвало да бъдат изменени. "
Предвижданията на модела за машинно образование демонстрират, че наоколо до HAR са настъпили огромни структурни промени, само че не демонстрират кои гени са попаднали под техен надзор. За да отговорят на този въпрос, Полард и сътрудниците ѝ организират лабораторни опити, които им разрешават да дефинират в мозъчни кафези на хора и шимпанзета, получени от стволови кафези, кои сектори от ДНК са най-близо до стотици разнообразни HAR.
В доста случаи те откриват, че човешките HAR са покрай гени, за които е известно, че играят роля в развиването на мозъка; в някои случаи околните гени са свързани и с развиването на неврологични или психиатрични болести. Екипът на Полард неотдавна заяви, че вариациите, които бързо са се появили в HAR по време на ранната човешка еволюция, постоянно са се противопоставяли една на друга, като първо са повишавали интензивността на даден енхансер, а по-късно са я понижавали или противоположното. Новите резултати, съгласно нея, се вписват добре в модела, препоръчан в това проучване.
" Случва се нещо огромно, като тази огромна смяна в нагъването на генома, и нашите кафези би трябвало бързо да го поправят, с цел да избегнат постепенен минус ", разяснява Полард. " Но поправката може да е прекомерно комплицирана и да би трябвало да се усъвършенства с течение на времето. "
Макар че новата публикация оказва помощ да се отговори на въпроса по какъв начин HAR може да са се появили първоначално, екипът на Полард към момента има въпроси, които възнамерява да наблюдава, за това за какво солидните структурни промени са оживели през тестването на времето и по какъв начин HAR въздействат върху развиването на човешкия мозък.
Справка: Kathleen C. Keough et al.,Three-dimensional genome rewiring in loci with human accelerated regions. Science 380,eabm1696(2023). DOI: 10.1126/science.abm1696
Източници: A Chance Event 1 Million Years Ago Changed Human Brains Forever, ScienceAlert
Study Suggests Catalyst for Human Brain Evolution, Gladstone Institute
Източник: novini.bg
КОМЕНТАРИ