Мозг человека и обезьян: нашли 599 отличий в настройке генов

Подробно

Что именно сделали исследователи?

Команда под руководством профессора Марайке Альберт (Центр регенеративной терапии Дрездена и факультет биологии TUD) вырастила церебральные органоиды из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, шимпанзе и гориллы. Первый автор работы - Тереза Шютце. В исследовании участвовали специалисты из Дрездена, Мюнхена, Ганновера, Милана, Кембриджа, Лондона и Хельсинки.

Органоиды анализировали на восьмой неделе культивирования, на стадии среднего нейрогенеза (образования нервных клеток). Из них выделяли четыре типа клеток: апикальную и базальную радиальную глию (клетки-предшественники нейронов), базальные промежуточные предшественники и сами нейроны. Для каждого типа измеряли доступность хроматина (методом ATAC-seq) и активность генов (RNA-seq).

«Изменения размера мозга на самом деле возникают в ходе развития. Именно тогда образуется большинство нейронов. Но развивающаяся ткань мозга человекообразных обезьян недоступна для исследований, и на это есть веские этические причины», - Марайке Альберт.

Что нашли в клетках человека и обезьян?

Главный результат: 599 кандидатных регуляторных элементов, более доступных в человеческой базальной радиальной глии, чем у шимпанзе и гориллы (порог отбора: log2FC не менее 1,5, то есть примерно в 2,8 раза и более; p не более 0,05). С помощью данных Hi-C их связали с 589 уникальными генами. Эти гены чаще других участвуют в развитии переднего мозга, межклеточных контактах, миграции и форме нервных клеток. 63% найденных участков совпали с известными регуляторными сигнатурами ENCODE. Три элемента совпали с экспериментально проверенными энхансерами из базы VISTA.

«Эти генетические переключатели - короткие последовательности ДНК, которые управляют активностью гена. Их можно представить как регуляторы яркости, которые усиливают или ослабляют гены. Мы нашли почти 600 переключателей, которые активнее в нервных стволовых клетках человека, чем у шимпанзе и горилл», - Тереза Шютце.

«Мозг человека особенным делают не обязательно другие гены. Как и показывают почти одинаковые геномы, мы используем в основном тот же набор инструментов, что и обезьяны, но с другими настройками», - Марайке Альберт.

Для проверки найденные участки сопоставили с данными по человеческой фетальной коре на 13-14-й неделе беременности. Доступность этих участков воспроизвелась в органоидах ещё из двух человеческих клеточных линий и существенно пересеклась с ранее опубликованными данными по органоидам человека и шимпанзе. Фетальную ткань шимпанзе и гориллы не использовали.

Что показали эксперименты с генами FAM107A и CNGA3?

Авторы проверили два общих для видов гена: FAM107A (кодирует белок, связанный с актиновым каркасом клетки) и CNGA3 (кодирует ионный канал). Их выключали методом CRISPR/Cas9 в человеческих органоидах. В трёх независимых экспериментах после выключения каждого гена доля базальной радиальной глии со сложной формой снизилась.

Картина различается по генам. Выключение FAM107A уменьшило общее число и число первичных отростков этих клеток, а также число нейронов (не делящихся клеток) в части ткани органоидов. Для CNGA3 ни один отдельный показатель формы значимо не изменился, снизилась только доля сложных клеток.

Повышенная активность человеческого FAM107A в органоидах шимпанзе, вопреки ожиданиям, тоже уменьшила сложность клеток. Авторы считают, что уровень этого гена должен быть точно выверен, а принцип «чем больше, тем лучше» здесь не работает.

Означает ли это, что учёные объяснили, почему мозг человека больше?

Нет, не полностью. Исследование измеряло доступность хроматина, активность генов и форму клеток в органоидах, но не размер мозга. Связь найденных регуляторных элементов с большим числом нейронов и крупной корой - предложенный авторами механизм, который опирается и на прежние работы. Прямых доказательств того, что именно эти 599 участков увеличили человеческий мозг, нет.

Есть и другие ограничения:

• органоиды моделируют в основном раннее развитие, примерно первый триместр, и плохо воспроизводят расширение наружной субвентрикулярной зоны второго триместра;
• у видов может различаться темп развития, что способно влиять на наблюдаемые различия, хотя авторы считают стадии органоидов достаточно синхронизированными;
• обогащение найденных участков человеческими ускоренными областями генома пограничное (p = 0,0509), поэтому говорить о его уверенной значимости нельзя;
• функционально проверены только два гена из сотен.

Авторы предлагают улучшать условия роста органоидов, например добавлять фактор LIF, и дальше проверять другие найденные регуляторные элементы.

Как это связано с прежними исследованиями?

В 2019 году работа в Nature построила одноклеточный атлас органоидов человека, шимпанзе и макаки. Она показала более медленное развитие человеческих нейронов и видовые различия в доступности хроматина. В 2021 году исследование в Cell выяснило, что задержка определённого перехода формы клеток у человека продлевает фазу размножения предшественников и сопровождается более крупными органоидами. В 2024 году в Nature Communications показали, что специфичный для человека ген ARHGAP11B и общий для человекообразных обезьян ген GLUD2 вместе усиливают метаболические процессы, связанные с размножением базальной радиальной глии. Новая работа дополняет эту линию: она рассматривает не новые гены, а различную регуляцию общих.

«Органоиды дают нам окно в стадию развития, которую иначе изучать было бы невозможно. Что делает нас людьми - увлекательный вопрос. С помощью органоидов мы наконец можем начать отвечать на его части на уровне отдельных клеток и генов», - Марайке Альберт.

Сырые данные по органоидам шимпанзе и гориллы опубликованы в базе NCBI GEO (набор GSE331438). Более ранняя версия работы выходила как препринт на bioRxiv в марте 2025 года.