Zmiany genetyczne, które odpowiadają za rozwój ludzkiego mózgu były do tej pory nieuchwytne. Jednak badaczom udało się zidentyfikować rodzinę genów zwaną NOTCH2NL, które odegrały kluczową rolę w rozwoju kory mózgowej specyficznej dla człowieka i mogły być siłą napędową ewolucji naszych mózgów.
Ewolucja mózgu w ciągu milionów lat odegrała ważną rolę w naszej zdolności jako gatunku do myślenia, rozwiązywania problemów i rozwijania kultury. Ale zmiany genetyczne kryjące się za tą ekspansją, która uczyniła nas ludźmi, były słabo poznane. Teraz naukowcy rzucili nieco światła na te zagadnienia.
Na łamach pisma „Cell” ukazały się dwa badania niezależnych zespołów naukowców wskazujących na grupę genów NOTCH2NL, które mogą być odpowiedzialne za rozwój ludzkiego mózgu. Geny te są aktywne wyłącznie u ludzi.
- Nasze mózgi stały się trzy razy większe głównie dzięki ekspansji pewnych obszarów funkcjonalnych kory mózgowej i jest to fundamentem tego, że jesteśmy ludźmi. Nie ma bardziej ekscytującego pytania naukowego, które mógłbym wymyślić, niż odkrycie i odkodowanie tajemniczych zmian genetycznych, które uczyniły nas tym kim jesteśmy – powiedział profesor David Haussler z University of California, Santa Cruz, współautor jednej z publikacji.
Badacze przez niego kierowani porównali ekspresję genów podczas rozwoju mózgu u ludzi i makaków w modelach uzyskanych z komórek macierzystych. Zdali sobie sprawę, że NOTCH2NL są obecne i aktywne jedynie w ludzkich komórkach. Nie było ich u makaków. Dodatkowe badania pokazały, że nie ma ich również u orangutanów, a u blisko spokrewnionych z człowiekiem goryli i szympansów obecne są tylko ich skrócone, nieaktywne wersje.
Rekonstrukcja ewolucyjnej historii genów NOTCH2NL ujawniła, że za naprawienie niefunkcjonalnej wersji NOTCH2NL, która pierwotnie pojawiła się jako częściowa duplikacja istotnego neurorozwojowego genu znanego jako NOTCH2, odpowiedzialny jest proces zwany konwersją genów. Jak twierdzą naukowcy, stało się to 3-4 miliony lat temu - mniej więcej w tym samym czasie, w którym według badań skamielin, ludzki mózg zaczął zwiększać swoją objętość. Badacze uważają, ze gen ten uległ duplikacji jeszcze dwukrotnie.
Autorzy drugiej publikacji w piśmie „Cell” pod kierunkiem profesora Pierre’a Vanderhaeghena z Université Libre de Bruxelles poszukiwali genów aktywnych podczas rozwoju płodowego mózgu. Szukanie ludzkich genów odpowiedzialnych za rozwój mózgu okazało się trudne, ponieważ geny te są zazwyczaj słabo opisane w bazach danych genomu i trudno je odróżnić od bardziej powszechnych genów obecnych u innych gatunków.
- Odkrycie, co w trakcie rozwoju człowieka odpowiadało za większy mózg, to Święty Graal badaczy takich jak my. Biorąc pod uwagę stosunkowo szybką ewolucję ludzkiego mózgu, kusi nas, by spekulować, że właśnie zidentyfikowane, specyficzne dla człowieka geny, mogą pomóc ukształtować nasz mózg w specyficzny dla gatunku sposób – przyznał Vanderhaeghen.
Zespół Vanderhaeghena opracował specjalną analizę sekwencjonowania RNA dostosowaną do wykrywania specyficznych genów w korze mózgowej płodu. To pozwoliło im zidentyfikować 35 genów unikalnych dla ludzi, które są aktywne podczas rozwoju kory mózgowej, w tym genów NOTCH2NL.
Badacze skupili się na NOTCH2NL ze względu na znaczenie pierwotnego genu NOTCH2 w procesach sygnałowych, które kontrolują, czy korowe komórki macierzyste produkują neurony lub regenerują więcej komórek macierzystych. To doprowadziło do odkrycia, że sztuczne wprowadzenie genu NOTCH2NL do embrionów myszy zwiększyło liczbę komórek macierzystych w rozwijającej się korze mózgowej.
Aby lepiej zrozumieć działanie tych genów, zespół zwrócił się do modelu rozwoju ludzkiej kory mózgowej z komórek macierzystych. Okazało się, że NOTCH2NL może znacznie rozszerzyć populację komórek progenitorowych, co z kolei generuje więcej neuronów.
- Z jednej komórki macierzystej mogą powstać dwie komórki progenitorowe, dwa neurony albo jedna komórka progenitorowa i jeden neuron. NOTCH2NL przesuwa równowagę w stronę produkcji komórek progenitorowych, które później mogą wytworzyć więcej neuronów. Ten mały efekt na początku rozwoju daje znaczące skutki w późniejszym czasie – wyjaśnił Vanderhaeghen.
Zespół Hausslera sprawdził, co się stanie, gdy NOTCH2NL nie ulegnie ekspresji. Usunęli gen z ludzkich komórek macierzystych i użyli ich do wzrostu płatów kory mózgowej. Rozwijały się one co prawda znacznie szybciej, ale ostatecznie były mniejszych rozmiarów.
Geny NOTCH2NL działają poprzez opóźnianie rozwoju korowych komórek macierzystych w neurony, w wyniku czego powstaje więcej neuronów. W badaniach stwierdzono, że ulegają znacznej ekspresji w nerwowych komórkach macierzystych kory mózgowej i znajdują się w części genomu wiązanej z zaburzeniami neurorozwojowymi, takimi jak ADHD czy autyzm.
Źródło: Science Daily, Science
