Ученые использовали уникальный человеческий ген ARHGAP11B, который встроили в геном оплодотворенных яйцеклеток мартышек-игрунок. В результате они получили зародыши приматов, у которых неокортекс был толще и обладал большим числом борозд и складок.
Мозг мартышки с человеческим геном ARHGAP11B / © Heide et al. / MPI-CBG
Увеличение мозга человека происходило в процессе эволюции и было связано с нашими когнитивными способностями, такими как мышление и развитие речи. Ген ARHGAP11B, который обнаружен только у людей, известен своей ролью в расширении неокортекса — “новой коры” головного мозга, которая состоит из многочисленных складок и борозд, разделенных на правое и левое полушария, и отвечает за более развитые нервные функции — речь, сенсорное восприятие, выполнение моторных команд и осознанное мышление.
ARHGAP11B мы получили около пяти миллионов лет назад — вскоре после того, как произошел “эволюционный раскол” между шимпанзе и предками современного человека. Этот ген возник в результате мутации, когда другой ген — ARHGAP11A — был скопирован или продублирован. Однако версия ARHGAP11B, известная как «наследственная версия B”, — не та, что есть у людей сегодня. Ученые считают, что впоследствии произошла еще одна мутация, которая создала специфичный для человека ген. Именно его и использовали в своих экспериментах ученые из Института молекулярной клеточной биологии имени Макса Планка, о которых рассказывается в журнале Science.
«Эта специфичная последовательность крайне необходима для способности гена усиливать соответствующие стволовые клетки мозга в процессе развития», — говорит Виланд Хаттнер, один из авторов статьи. Биологи вырастили зародыши мартышек-игрунок с изначально встроенным геном ARHGAP11B. Сделано это было при помощи лентивируса, который обладает способностью доставлять значительное количество генетического материала в клетку хозяина и реплицироваться в неделящихся клетках.
В рассматриваемом случае лентивирус как раз содержал ARHGAP11B, а также белковый маркер, который позволил ученым увидеть, где именно экспрессируется этот ген. Так, на 101-й день развития эмбриона (за 50-й дней до рождения животного) неокортекс приматов стал больше, толще, имел больше складок и борозд по сравнению с корой мозга обычных, не трансгенных мартышек.
Предыдущие исследования уже демонстрировали аналогичные результаты у трансгенных мышей и хорьков. Однако использование этих животных моделей не означало, что встроенный ген будет экспрессироваться у них так же, как у людей. Поэтому авторы новой работы решили провести опыт на организме, который был бы тесно связан с человеком.
“Мы думали, что мартышка будет лучшей моделью, потому что неокортекс макаки имеет много особенностей, которые он разделяет с нашим большим и сложным неокортексом. <…> Мы ограничились опытами на зародышах, так как не смогли бы предсказать последствия от включения этого гена и их влияния на постнатальное развитие обезьян, а это критически важно с этической точки зрения. Как мы и ожидали, его активация заметно изменила развитие коры мозга игрунок”, — добавляет Хутнер.
Также исследование продемонстрировало, что добавленный ген, помимо увеличения размера и количества складок в неокортексе, контролирует выработку определенных нейронов, которые развиваются позже и важны для обработки информации более высокого порядка.
«Есть целый список генов, которые, по нашему мнению, могут играть роль в том, что делает нас уникальными. Однако крайне редко мы могли доказать, что именно они являются участниками этого процесса. Новое исследование действительно выводит ARHGAP11B на вершину списка. Это ген, который вполне может быть важен для развития человеческого мозга», — отмечают авторы работы.
Помимо этого, изучение роли ARHGAP11B может быть важно для понимания таких болезней, как шизофрения, умственная отсталость или эпилепсия. А мозг, который развивается слишком большим (макроцефалия), становится причиной ряда неврологических и поведенческих расстройств, включая аутизм. Более детальное понимание уникальных человеческих генов, таких как ARHGAP11B, поможет в разработке новых видов терапии. Также биологи предполагают, что этот ген может быть полезен и для выращивания стволовых клеток.
Однако идея использовать ARHGAP11B или другие подобные ему в опытах по изменению структуры и функций человеческого мозга вызывает множество этических вопросов. «Вы должны быть очень осторожны, — подчеркивает Хутнер. — Если вы проводите генетические манипуляции на людях, то можете делать это только в том случае, если хотите вылечить заболевание, в основе которого лежит патологическая мутация. <…> Но пытаться «улучшить» людей нельзя».
Ранее нейробиологи смоделировали эмбриональное развитие мозга и обнаружили мозговой центр глубокого подавления боли.
