Преди повече от милион години големи части от човешкия геном са били пренаредени - случайно събитие по време на формирането на яйцеклетките или сперматозоидите, което е довело до изтриване, дублиране или промяна на участъци от ДНК. Тези структурни варианти, открити сега от учените, вероятно са поставили началото на каскада от други бързи промени в човешката ДНК, които може да са в основата на уникални човешки характеристики, особено на мозъка.

Новото откритие, публикувано в списание Science, е резултат от проучване, анализиращо как участъци от ДНК, наречени "човешки ускорени участъци" (или HAR - 'human accelerated regions'), се различават между хората и шимпанзетата. Участъците HAR са почти идентични сред всички хора, но се различават между хората и всички други бозайници. Изследователите отдавна се питат защо тези последователности - много от които контролират развитието на мозъка - са се променили толкова бързо в ранната еволюция на човека.

"Открихме, че много от HAR са в области на ДНК, където структурните варианти са довели до различно нагъване на генома при хората в сравнение с други примати", обяснява д-р Кейти Полард (Katie Pollard), директор на Института за данни и биотехнологии "Гладстон" и водещ автор на новото проучване. "Това ни даде представа как HAR може да са възникнали на първо място."

СГЪВАНЕ КАТО ОРИГАМИ

При сравняването на геномите на човека и шимпанзето преди близо две десетилетия Полард открива участъци от ДНК - сега наречени HAR - които са били стабилни при бозайниците в продължение на хилядолетия, но внезапно са се променили при ранните хора. Оттогава лабораторията ѝ показва, че повечето HAR са енхансери - къси участъци от ДНК, които регулират активността на гени, свързани с развитието на мозъка. Изследователите обаче все още имат много въпроси относно това как са се появили HAR и каква роля играят те за разграничаването на хората от другите примати.

Полард и нейните колеги се интересуват дали други промени в ДНК, заобикалящи HAR, могат да помогнат за обяснението на техния произход. В сътрудничество с проекта Zoonomia - международно сътрудничество за изучаване на геномите на бозайниците - изследователите анализират HAR и заобикалящата ги среда в 241 генома на бозайници. Те стигат до заключението, че HAR обикновено се намират в области на човешкия геном, които имат големи структурни различия в сравнение с други бозайници.

След това учените проучват дали структурните различия около HAR могат да променят начина на сгъване на ДНК.

"Начинът, по който геномът се сгъва в триизмерното пространство като оригами, е особено важен за енхансерите", обяснява Полард, който е и професор в Калифорнийския университет в Сан Франциско и изследовател в Chan Zuckerberg Biohub. "Това е така, защото енхансерите могат да повлияят на активността на всеки ген, който се намира в близост до тях, което може да варира в зависимост от начина на сгъване на ДНК."

За да проучи връзката между HAR и сгъването на ДНК, екипът на Полард използва разработен преди това модел за машинно обучение за предсказване на моделите на сгъване на ДНК и го прилага към ДНК последователности на хора и шимпанзета. След това те идентифицират областите от генома, които се нагъват по различен начин при хората. Компютърът прогнозира, че близо 30 % от HAR са в области на генома, които се нагъват по различен начин при хората в сравнение с шимпанзетата.

"Осъзнахме, че тези специфични за човека структурни промени може да са създали подходяща среда за бързото развитие на HAR в човешкия прародител, след като са останали почти същите през милионите години на еволюция на бозайниците", споделя д-р Катлийн Киф (Kathleen Keough), първи автор на изследването и бивш постдокторант в лабораторията на Полард в Гладстон.

СГЛОБЯВАНЕ НА МИНАЛОТО

Представете си дължината на ДНК от последния ни общ предшественик с шимпанзетата като дълъг шал, увит около врата ви, с ивици в различни цветове, които преминават през тъканта му по цялата му дължина.

А сега си представете, че някой се е опитал да направи абсолютно същия шал, но не е следвал напълно оригиналния модел. Някои от ивиците са по-тесни, други - по-широки, а при някои цветовете са в различен ред от оригинала.

Когато увиете новия шал около врата си по същия начин като оригинала, ивиците, които се намират една до друга в примката, вече не са еднакви.

Подобно на този шал, голямата разлика между човешката и шимпанзешката ДНК е структурна: големи части от градивните елементи на ДНК са вмъкнати, изтрити или пренаредени в човешкия геном. Затова човешката ДНК се нагъва по различен начин в ядрото в сравнение с 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 определени гени в рамките на HAR, свързвайки ги с гени, кодиращи различни протеини, отколкото първоначално са били приложени.

Много гени в HAR са свързани с други гени, действащи като енхансери, което означава, че те увеличават транскрипцията на свързания/ите с тях ген/и.

Как структурните промени могат да доведат до разместване на HAR енхансер. Кредит: Keough et al., Science, 2023

Ако ДНК, намираща се в близост до HAR, се нагъва по различен начин при хората и доближава различни гени до HAR, това би могло да има драстични последици за нашите предци.

"Представете си, че сте енхансер, който контролира нивата на хормоните в кръвта, а след това ДНК се нагъва по нов начин и изведнъж се оказва, че се намирате до ген за невротрансмитер и трябва да регулирате нивата на химичните вещества в мозъка, вместо в кръвта", разказва Полард. "Вашите инструкции вече са остарели и трябва да бъдат променени."

Предвижданията на модела за машинно обучение показват, че в близост до HAR са настъпили големи структурни промени, но не показват кои гени са попаднали под техен контрол. За да отговорят на този въпрос, Полард и колегите ѝ провеждат лабораторни експерименти, които им позволяват да определят в мозъчни клетки на хора и шимпанзета, получени от стволови клетки, кои участъци от ДНК са най-близо до стотици различни HAR.

В много случаи те откриват, че човешките HAR са близо до гени, за които е известно, че играят роля в развитието на мозъка; в някои случаи близките гени са свързани и с развитието на неврологични или психиатрични заболявания.
Екипът на Полард наскоро съобщи, че вариациите, които бързо са се появили в HAR по време на ранната човешка еволюция, често са се противопоставяли една на друга, като първо са повишавали активността на даден енхансер, а след това са я понижавали или обратното. Новите резултати, според нея, се вписват добре в модела, предложен в това изследване.

"Случва се нещо голямо, като тази мащабна промяна в нагъването на генома, и нашите клетки трябва бързо да го поправят, за да избегнат еволюционен минус", коментира Полард. "Но поправката може да е прекалено сложна и да трябва да се усъвършенства с течение на времето."

Макар че новата статия помага да се отговори на въпроса как HAR може да са се появили в началото, екипът на Полард все още има въпроси, които планира да проследи, за това защо масивните структурни промени са оцелели през изпитанието на времето и как HAR влияят върху развитието на човешкия мозък.

Kathleen C. Keough et al. ,Three-dimensional genome rewiring in loci with human accelerated regions. Science 380,eabm1696(2023). DOI: 10.1126/science.abm1696

A Chance Event 1 Million Years Ago Changed Human Brains Forever, ScienceAlert

Study Suggests Catalyst for Human Brain Evolution, Gladstone Institute