С тех пор, как люди отделились от общего предка, общего с шимпанзе и другими человекообразными обезьянами, человеческий мозг сильно изменился. Однако генетические процессы и процессы развития, ответственные за это расхождение, не изучены. Церебральные органоиды (мозгоподобные ткани), выращенные из стволовых клеток в чашке, дают возможность изучать эволюцию раннего развития мозга в лаборатории.
Сабина Кантон, Майкл Джеймс Бойл и Чжисон Хэ, соавторы исследования, вместе с Греем Кэмпом, Барбарой Трейтлейн и коллегами проанализировали органоиды головного мозга человека в ходе их развития из стволовых клеток, чтобы изучить динамику экспрессии генов и регулирование (с использованием методов, называемых одноклеточной РНК-seq и ATAC-seq). Авторы также исследовали мозговые органоиды шимпанзе и макаки, чтобы понять, как развитие органоидов отличается у людей. «Мы наблюдали более выраженное созревание кортикальных нейронов у органоидов шимпанзе и макаки по сравнению с органоидами человека на той же стадии развития», - сказала соавтор Барбара Трейтлейн. «Это предполагает, что развитие нейронов у человека происходит медленнее, чем у двух других приматов».
Экспрессия и регуляция генов, специфичных для человека
Исследователи также идентифицировали гены, демонстрирующие паттерны экспрессии, которые являются уникальными для человека во время генерации и созревания нейронов. Экспрессия генов может регулироваться доступностью ДНК, которая может находиться в открытом или компактном состоянии. Многие из изменений экспрессии генов, которые определили авторы, могут быть связаны с близкими изменениями доступности человеческого генома. Большинство дифференциально доступных областей содержат мутации, общие для всех людей, живущих сегодня, некоторые из которых могут быть ответственны за наблюдаемые изменения в доступности ДНК и экспрессии генов. «Предсказывается, что некоторые генетические изменения изменят связывание фактора транскрипции, что доказывает потенциальное объяснение того, как возникают эти различия в экспрессии генов», - сказал Грей Кэмп, соавтор исследования. «Среди обнаруженных нами изменений в регуляции генов могут быть те, которые способствуют большему мозгу и когнитивным способностям, наблюдаемым у людей по сравнению с другими приматами».
Авторы дополнительно исследовали экспрессию специфических для человека генов в префронтальной коре взрослого человека, области мозга, которая увеличилась в размерах у людей и, как полагают, влияет на сложное когнитивное поведение. Они выявили эволюционные различия в экспрессии генов, которые сохраняются во взрослом возрасте, а также изменения, характерные только для взрослого мозга в определенных типах клеток. «Наши данные предоставляют ресурсы для дальнейших исследований механизмов динамики генной регуляции во время раннего развития мозга, особенно тех, которые потенциально различают развивающийся мозг человека и шимпанзе», - заключают авторы..