«Мозг размером с кунжутное семя, созданный из смеси генов человека и неандертальца, развился в чашках Петри в лаборатории Калифорнийского университета в Сан-Диего». Так пишет научно-популярное издание LiveScience. Конечно, на самом деле «смесь генов» — это громко сказано. Речь всего лишь о единственной нуклеотидной замене в гене NOVA1, отличающей его сапиентный вариант от архаического — неандертальского и денисовского. И всё же даже одна мутация может значить очень многое.
Хотя мы и отличаемся от ископаемых видов людей, у нас гораздо больше общего, чем различий. В этом убедились авторы исследования, которые искали в базе данных проекта «1000 геномов» эти самые различия, а точнее, генетические варианты:
- кодирующие (т.е. входящие в последовательности, задающие состав белков),
- несинонимичные (то есть меняющие состав белка),
- производные (то есть «молодые», которых нет, допустим, у шимпанзе),
- фиксированные или почти фиксированные (то есть встречающиеся у всех или почти всех современных людей),
- и, самое важное, не встречающиеся в геномах неандертальцев и денисовцев.
Нашёлся всего 61 такой вариант. Вероятно, именно этот набор ответственен за многие наши специфические особенности, отличающие сапиенсов от всех остальных гоминин и, по-видимому, важные для эволюции. Одним из генов, содержащих такой особенный сапиентный вариант, оказался NOVA1. Расшифровывается аббревиатура как «нейро-онкологический вентральный антиген 1» (понятней не стало, верно?) Этот ген кодирует белок, регулирующий альтернативный сплайсинг в клетках нервной системы, влияя на формирование связей между нейронами. Известно, что мутации в NOVA1 могут приводить к неврологическим расстройствам.
Так вот сплайсинг одного и того же гена может производиться по-разному. Например, из зрелой РНК может «выпасть» тот или иной экзон. В результате на основании одной и той же генетической последовательности могут получаться белки, различающиеся по составу. Это и называется «альтернативный сплайсинг».
В гене NOVA1 оказалась нуклеотидная замена в 200-й позиции, которая не встречалась у неандертальцев, денисовцев и шимпанзе, но присутствовала у 100% индивидов из базы «1000 геномов». Надо, конечно, оговориться: в наличии генетиков имелось всего 2 неандертальских генома и 1 денисовский. Так что, теоретически, производный вариант вполне мог иметься у какого-нибудь неандертальца, чей геном нам неизвестен.
Самый распространённый вариант NOVA1 содержит только одну фиксированную замену, отличающую его от неандертальского/денисовского. Судя по его распределению, вариант распространился совсем недавно и быстро, по-видимому, благодаря отбору.
Вот исследователи и решили проверить, к каким отличиям в строении мозга приведёт работа архаического варианта NOVA1. Но как это сделать? Идея выращивания «микромозга» в пробирке звучит фантастически, но на самом деле, подобное делается не первый год и уже по обкатанной процедуре. Для этого даже существует специальный набор, который продаётся за 400$. Этот «кит» позволяет вырастить из эмбриональных (плюрипотентных, то есть способных порождать любые типы клеток) стволовых клеток крошечное подобие мозга с дифференцированными нейронами, глией, извилинами коры и даже зачатками глаз — так называемый церебральный органоид.
Суть эксперимента в том, чтобы вырастить часть органоидов обычного, сапиентного типа, а другие — генетически модифицированные. С помощью инструмента редактирования генов CRISPR-Cas9 исследователи заменили в человеческих стволовых клетках современный вариант NOVA1 на архаический и получили несколько «выводков» органоидов — из обычных стволовых клеточных линий и из отредактированных. Помимо современного (Hu) и архаического варианта гена (Ar), использовались также линии, в которых NOVA1 просто вырубили, сделали нефункциональным (Ko), а также комбинации вариантов Ko/Ar.
Исследователи убедились, что ген NOVA1 действительно работал, экспрессировался в тканях органоидов, а также последовательно фиксировали размеры и строение «микромозгов» в процессе их формирования.
Сразу выяснилось, что варианты Ar/Ar и Ko/Ar получились меньших размеров, чем Hu/Hu. Кроме того, поверхность Ar/Ar и Ko/Ar оказалась более сложной, морщинистой на стадии разрастания клеток.
Клетки NOVA1Ar/Ar разрастались медленней и процесс созревания этих органоидов занял больше времени. Обнаружились и отличия в структуре тканей.
Исследователи сообщают, что разница между сапиентным и гибридным органоидами была видна невооружённым глазом: человеческие микромозги обычно представляют собой гладкие шарики. Гибридные органоиды были визуально меньше и имели неправильную форму.
Не удовлетворившись внешними и структурными различиями, исследователи выяснили различия в работе генов, для чего секвенировали РНК в тканях органоидов в разных точках развития. Удалось найти 277 генов, по-разному экспрессирующихся в современном и архаичном вариантах органоидов. Многие из них участвовали в формировании нейронов. Различается и сплайсинг генов, в том числе вовлеченных в образование синапсов — контактов между нейронами, и ряд других характеристик, связанных с развитием нейронных связей и передачей сигналов.
Итак, исследователям впервые удалось воочию наблюдать влияние архаического генетического варианта на строение и функционирование человеческого мозга — пусть и на очень приблизительной модели. Строго говоря, органоиды Ar/Ar нельзя назвать моделью «неандертальского» мозга, ведь отличия от сапиентного генома здесь только в одной-единственной замене в NOVA1. Так что архаический вариант гена функционировал в современном контексте, что безусловно влияло на результат его работы. Тем не менее, полученные результаты — первый шаг в понимании генетических основ отличий мозга Homo sapiens от наших ископаемых двоюродных братьев. Уже этот опыт показывает, что изменение всего одной позиции в NOVA1 могло сыграть существенную роль в нашей эволюции.
Авторы исследования пишут, что невозможно напрямую сравнить «микромозги» из пробирки с неандертальскими эндокранами — слепками внутренней полости древних черепов, воспроизводящими форму мозга. Но кто знает! Может быть, уже в недалеком будущем технологии позволят вырастить в лаборатории неандертальский мозг в натуральную величину…
Благодарю Константина Лескова за консультацию.
