Последовательности ДНК, которые у обезьян не содержали никакой белковой информации, у человека стали обычными «белковыми» генами, влияющими на развитие мозга.

Нет нужды напоминать, что у человека мозг больше обезьяньего. Очевидно, у нас есть какие-то гены, благодаря которым в ходе индивидуального развития наш мозг сильно разрастается. Таких генов явно будет не один и не два. Но откуда у человека появились «гены большого мозга»?

(Фото: Spenser Sembrat / Unsplash.com) 

Корректнее здесь было бы говорить не столько про гены, сколько про мутации. Например, в какой-то из генов, который управляет развитием мозга, попала мутация, и теперь новый вариант гена с мутацией позволит нарастить мозг побольше, чем он был раньше у обезьян. Другой вариант: появление в геноме ещё одной копии «мозгового» гена (удвоение, или дупликация, генов по эволюционным меркам случается довольно-таки часто). Новая копия может работать так же, как и старая, и тогда эффект от гена будет двойным, либо же она может приобрести какие-то новые функции, и эти функции, если мы говорим о размере мозга, могут способствовать его увеличению.

Сотрудники Пекинского университета и Китайской академии наук описывают в Nature Ecology & Evolution ещё один молекулярно-генетический механизм, который мог дать мозгу гены для роста. Эти гены могли появиться из некодирующих РНК. Как известно, в ДНК есть последовательности, которые кодируют информацию о белках — их мы обычно имеем в виду, когда говорим о генах.

Информация с таких участков копируется в РНК, которая называется матричной, а потом уже на матричной РНК синтезируется белковая молекула. Но есть в ДНК последовательности, которые тоже копируются в РНК, однако никаких белков они не кодируют. Получившиеся РНК работают самостоятельно, хотя далеко не про все из них известно, что именно они делают в клетке. В частности, есть большой класс таких РНК, которые называются длинные некодирующие РНК, или lncRNA (long non-coding RNA).

Примерно десять лет назад впервые удалось заметить, что некоторые длинные некодирующие РНК в мозге макак резуса похожи на обычные матричные РНК (то есть такие, которые кодируют белки) в мозге человека. И вот сейчас удалось показать, что «белковые» человеческие РНК действительно могли произойти от длинных некодирующих РНК обезьян. Как и любые другие РНК, длинные некодирующие РНК появляются в клеточном ядре — ведь именно в ядре хранится ДНК. Но если матричные РНК легко покидают ядро, то у длинных некодирующих возникают проблемы: в последовательностях lncRNA есть участки, которые не дают им выйти из ядра в цитоплазму. Однако если в этих участках появятся определённые мутации, или же СМИ участки просто выпадут из последовательности lncRNA, то затруднения исчезнут.

Исследователи искали в геномах человека и шимпанзе гены, кодирующие белки, которые были бы похожи на последовательности длинных некодирующих РНК у макак резуса и в которых были бы признаки тех самых мутаций, позволяющих выйти из ядра в цитоплазму. Таких генов удалось найти двадцать девять, общих для шимпанзе и человека, и сорок пять, которые есть только у человека. Из них они взяли девять генов, которые активны в человеческом мозге, и внедрили их в клетки мозгового органоида.

О таких органоидах мы тоже неоднократно писали — это мини-копии какого-либо органа или части органа, позволяющие изучать его развитие и взаимоотношения между клетками в естественном трёхмерном объёме. Сравнивая, как растут мозговые органоиды с определёнными генами и без них, исследователи увидели, что из тех девяти генов, похожих на lncRNA, есть пара, с которыми органоиды становятся крупнее.

Эксперимент повторили на мышах: у них с этими генами мозг вырастал покрупнее, чем обычно, а на коре полушарий появлялись более выраженные складки извилины (обычно кора полушарий у грызунов почти гладкая). И у мышей не просто увеличивался мозг — у них улучшалась память, и они лучше проходили разные когнитивные тесты.

То есть в увеличение размеров человеческого мозга (а также, возможно, мозга шимпанзе) внесли свой вклад «белковые» гены, появившиеся из некодирующих последовательностей. Эти последовательности можно было бы назвать бессмысленными и бесполезными, однако у тех длинных некодирующих РНК, в которые они копируются, могут быть какие-то функции. Так или иначе, научившись благодаря мутациям выходить из ядра в цитоплазму, длинные некодирующие РНК смогли попасть к молекулярным машинам, синтезирующим белок.

По крайней мере, некоторые белки, которые стали синтезироваться на бывших lncRNA, повлияли на развитие мозга. Скорее всего, они не прямо сразу начали влиять, и последовательность lncRNA какое-то время менялась в эволюции — преимущество получали те варианты, которые могли принести мозгу какую-то пользу. И, разумеется, такие гены были не единственные: размер мозга — слишком сложный признак, чтобы зависеть всего от пары-тройки генов.