Gen, który czyni nas ludźmi?

Według badań opublikowanych w Internecie wczoraj w czasopiśmie, niewielki fragment DNA, który szybko ewoluował u ludzi, może odgrywać kluczową rolę w rozwoju i ewolucji ludzkiego mózgu Natura . Chociaż naukowcy nie wiedzą jeszcze dokładnie, jak gen działa w mózgu, wiedzą, że sekwencja ta jest całkowicie unikalna dla ludzi i jest wyrażana w korze – odpowiedzialnej za złożone myślenie – podczas kluczowego etapu rozwoju mózgu.

To bardzo ekscytujące odkrycie, mówi Bruce Lahn , genetyk, który bada ewolucję mózgu na Uniwersytecie w Chicago. Zbliża nas o krok do ogólnego celu, jakim jest zrozumienie ewolucji ludzkiego mózgu na poziomie genów.

Gdzieś w ciągu ostatnich pięciu do siedmiu milionów lat, kiedy ludzie i szympansy rozdzielili się na drzewie ewolucyjnym, nasze mózgi stały się trzy razy większe niż mózgi naszych najbliższych krewnych naczelnych. Ten imponujący wzrost był w dużej mierze spowodowany ekspansją kory mózgowej, zewnętrznej warstwy mózgu odpowiedzialnej za rozumowanie i inne rodzaje złożonych myśli. Odkąd sekwencje genomów ludzi i innych zwierząt stały się dostępne do badań, naukowcy przeczesują ryzy DNA w poszukiwaniu genetycznych wskazówek dotyczących wyjątkowego impulsu wzrostu naszego mózgu – oraz zmian biologicznych, które czynią nas wyjątkowymi ludźmi.

W nowym artykule naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz porównali ludzki genom z genomami szympansów, psów, szczurów, myszy i kurczaków, szukając sekwencji genetycznych, które były wysoce konserwatywne podczas ewolucji i dlatego są ważne funkcjonalnie. Następnie szukali sekwencji w tych zachowanych regionach, które szybko się zmieniły u ludzi, wskazując, że zmiany te były ważne dla unikalnej ewolucji człowieka.

Naukowcy zidentyfikowali kilka szybko ewoluujących fragmentów DNA, ale zdecydowanie najszybszym fragmentem był mały łańcuch DNA, który jest częścią genu wyrażanego w hipokampie, który bierze udział w uczeniu się i pamięci. Zgodnie z odkryciami sekwencja była bardzo podobna u kurczaków i szympansów, z tylko dwiema zmianami w kodzie genetycznym; ale zmienił się znacząco w ludzkim DNA, wykazując 18 różnic genetycznych w porównaniu z wersją u szympansów.

To naprawdę potwierdziło, że ta [sekwencja] jest specyficzna dla linii ludzkiej, mówi: David Haussler , ekspert ds. genomiki w UCSC, który kierował pracami. Zsekwencjonowaliśmy również ludzkie DNA od różnych ludzi na całym świecie – wydaje się, że każdy ma te same 18 odmian.

Naukowcy odkryli następnie, że gen znany jako HAR1F, ma jeszcze bardziej kuszące właściwości: wyraża się w określonym zestawie komórek w ludzkim mózgu między 9 a 19 tygodniem ciąży – kiedy kora mózgowa przechodzi szybki okres rozwoju. Jest to zasadniczo początkowa faza rozwoju kory, myślącej części mózgu, mówi Haussler. To ta część naszego mózgu, która znacznie się powiększyła w ciągu ostatnich kilku milionów lat ewolucji.

Ponieważ naukowcy nie znają jeszcze funkcji genu, trudno jest przewidzieć jego rolę w rozwoju mózgu lub ewolucji człowieka. Odkrycie tych szybko ewoluujących genów jest punktem wyjścia do zrozumienia ewolucji genetycznej człowieka, mówi Lahn, ale nie mówi nam, w jaki sposób zmiany w sekwencji genetycznej prowadzą do zmian w ludzkiej biologii.

W rzeczy samej, HAR1F jest dość tajemnicza. Koduje tylko RNA, podczas gdy większość genów ostatecznie koduje białko. Chociaż zidentyfikowano inne geny kodujące RNA – geny RNA czasami pełnią funkcję regulacyjną, zmieniając produkcję białka – ta sekwencja nie przypomina żadnego ze znanych genów RNA. Gen wydaje się być genem we własnym wszechświecie, mówi Lahn.

Gen różni się również od wcześniej zidentyfikowanych genów, które mogą odgrywać rolę w ewolucji mózgu. W zeszłym roku grupa Lahna zidentyfikowała dwa geny mózgu, które znajdują się pod niedawną presją ewolucyjną. w odróżnieniu HAR1F , te geny mają znaną funkcję – oba są zaangażowane w kontrolę wielkości mózgu. Ponadto różne wariacje tych genów znajdują się w różnych regionach świata, podczas gdy wszystkie dotychczas testowane wydają się nosić te same 18 wariacji w szybko ewoluującej części HAR1F .

Grupa Hausslera była w stanie zidentyfikować nowy fragment DNA dzięki unikalnemu podejściu do analizy genomu. Wcześniejsze badania koncentrowały się na kodujących regionach genomu: odcinku DNA, który kieruje produkcją białek. Z drugiej strony grupa Hausslera przeprowadziła w całym genomie poszukiwania szybko ewoluujących sekwencji w konserwatywnych regionach DNA. Ich metoda wydaje się być bardzo eleganckim sposobem na wyłapanie potencjalnych elementów regulacyjnych, które nabyły unikalne funkcje w linii ludzkiej, mówi Ganeshwaran Mochida , neurolog i genetyk w Harvard Medical School w Bostonie.

Jednak niektórzy naukowcy są sceptyczni, czy kawałek DNA okaże się kluczem do ewolucji ludzkiego mózgu. Trochę trudno pojąć, jak fragment RNA o długości 118 par zasad mógł być ewolucyjnie tak zimny, z dwiema zmianami w ciągu ostatnich 318 milionów lat, a następnie podlegać 18 kolejnym niezależnym podstawieniom w linii ludzkiej od czasu podziału z szympansem, mówi Andrzej Clark , genetyk populacyjny na Cornell University w Ithaca, NY. Sugeruje, że ostatnie zmiany mogą być raczej wynikiem niezwykłego i jeszcze niezrozumianego procesu mutacyjnego niż presji ewolucyjnej. I dodaje, że nie ma jeszcze żadnego dowodu na żadną z możliwości. W każdym razie praca ta służy jako silna motywacja do zrozumienia biologicznej funkcji tego genu i to zawsze było ekscytujące dla tego rodzaju pracy, mówi.

Haussler i współpracownicy próbują teraz ustalić, jaką rolę HAR1F gra podczas rozwoju mózgu. Wśród innych eksperymentów planują stworzyć mysz, która wyraża ludzką formę genu. Nie wiemy, czy mysz zacznie pisać Szekspira, mówi Haussler. Jest mało prawdopodobne, aby działał jak ludzki gen, ponieważ ulega ekspresji w korze myszy z innymi mysimi genami, ale warto spróbować.

Haussler przewiduje, że odkrycia wywołają falę badań nad rolą HAR1F . Ma na przykład nadzieję, że naukowcy zajmujący się genetyką schizofrenii i innych zaburzeń przeszukają populacje swoich pacjentów pod kątem mutacji w genie, co może rzucić światło na jego rolę w rozwoju mózgu i funkcjach poznawczych.

ukryć