» » Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга

Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга


Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга

Рис. 1. Смена функции гена OSTN у высших приматов (обезьян). У всех прочих млекопитающих в регуляторной области OSTN нет участков для прикрепления регуляторного белка MEF2C (желтые кружочки), который активируется в нейронах при их возбуждении (Neuronal excitation; Calcium signalling). Поэтому ген OSTN не работает в нейронах мозга (слева). У обезьян в результате нескольких мутаций (нуклеотидных замен) появились такие участки (MRE — MEF2-responsive element). Поэтому у обезьян ген OSTN стал включаться в активно работающих нейронах. Сигнальный белок, кодируемый геном OSTN (красные кружочки), выделяется в межклеточную среду и регулирует рост дендритов. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature


В развитии коры головного мозга млекопитающих важнейшую роль играют гены, включающиеся в нейронах при их возбуждении. При этом о конкретных генетических механизмах формирования неокортекса известно немного. В частности, непонятно, чем объясняется более сложная организация неокортекса обезьян по сравнению, например, с мышами. Американские нейробиологи обнаружили, что ген OSTN, который у большинства млекопитающих работает в костях и мышцах и не экспрессируется в мозге, у человека и других обезьян включается в нейронах неокортекса при их возбуждении и регулирует рост дендритов. Ген приобрел новую функцию на заре эволюции обезьян благодаря замене всего нескольких нуклеотидов в регуляторной области гена. В результате работа OSTN оказалась под контролем регуляторного белка MEF2, который активируется в нейронах при возбуждении. Полученные данные согласуются с предположением о том, что смена функции OSTN, создавшая новый механизм регуляции развития неокортекса в зависимости от приобретаемого опыта, внесла вклад в эволюцию интеллекта у высших приматов.

Неокортекс (см. также Neocortex) обезьян отличается от неокортекса других млекопитающих большим относительным объемом, высоким морфологическим разнообразием нейронов и сложной структурой межнейронных связей. Кроме того, для обезьян вообще, а для человека в особенности характерно долгое детство, во время которого нейронные контуры быстро развиваются под влиянием приобретаемого опыта (см.: Быстрый рост мозга в раннем детстве — отличительная черта рода Homo, «Элементы», 29.05.2012).

Хотя кора головного мозга человека разительно отличается от, например, мышиной как по структуре, так и по функциональности, мы почти ничего не знаем о генетическом базисе этих различий. Вопрос тем более интересный, что число, да и набор генов в геномах человека и мыши почти одинаковы — уж во всяком случае, по этим показателям мы отличаемся от мышей гораздо меньше, чем по строению неокортекса и умственным способностям.

Американские нейробиологи, чья статья опубликована в свежем выпуске журнала Nature, попытались приблизиться к ответу на этот вопрос, сравнив наборы человеческих и мышиных генов, активирующихся в нейронах мозга при их возбуждении. Такие гены играют ключевую роль в обучении и памяти, то есть в формировании структуры межнейронных связей неокортекса под влиянием опыта. Поэтому логично предположить, что именно с этими генами могут быть связаны различия между человеческим и мышиным интеллектом.

Авторы работали с клеточными культурами, выращенными из суспензии разрозненных клеток мозга человеческих эмбрионов. Большинство клеток в этих культурах по своим свойствам (таким как набор экспрессирующихся генов) соответствует нейронам неокортекса. Возбуждение нейронов имитировалось путем добавления в среду хлорида калия. Это приводит к деполяризации клеточных мембран, как и при настоящем возбуждении нервных клеток (см.: Потенциал действия). Ранее на грызунах было показано, что стимуляция при помощи KCl ведет к активации тех же самых генов, которые включаются в нейронах живого мозга при настоящем возбуждении, вызываемом, например, сигналами, поступающими от органов чувств.

Набор генов, активирующихся при возбуждении, определяли при помощи секвенирования РНК (RNA-seq). Оказалось, что в человеческих нейронах, как и у грызунов, стимуляция ведет к последовательному включению двух групп генов. В течение первого часа включаются «гены раннего ответа» (early-response genes), такие как NPAS4, FOS, JUNB, NR4A1, NR4A3 и FOSB. Это в основном гены транскрипционных факторов (ТФ), то есть белков, которые работают в клеточном ядре и контролируют активность других генов. Во вторую очередь, часов через шесть после начала стимуляции, включаются более многочисленные «гены позднего ответа» (late-response genes), такие как BDNF, ADCYAP1, PCSK1 и GPR22. Белки, кодируемые этими генами, работают в цитоплазме, клеточной мембране или выделяются клетками наружу (секретируемые белки). Понятно, что активность «генов позднего ответа» отчасти контролируется белковыми продуктами «генов раннего ответа».

В человеческих нейронах стимуляция активировала в основном те же гены, что и у грызунов, однако кое-какие отличия все же нашлись. Три «гена позднего ответа», начинающие активно транскрибироваться в ответ на стимуляцию в человеческих нейронах, в нейронах грызунов вообще не работают. Два из них — это гены, специфичные для приматов, то есть у грызунов их просто нет (белок-кодирующий ген ZNF331 и длинная некодирующая РНК LINC00473).

Наиболее интересным авторам показался третий ген — OSTN (Osteocrin), и именно на нем они сосредоточили свои дальнейшие усилия. Экспрессия этого гена повысилась при стимуляции нейронов сильнее, чем экспрессия всех остальных генов позднего и раннего ответа. Но самый интригующий факт состоит в том, что ген OSTN есть у грызунов, однако у них он работает исключительно в костях и мышцах, а вовсе не в мозге. Этот ген кодирует маленький секретируемый (выделяемый в межклеточную среду) сигнальный белок, который, по-видимому, регулирует метаболизм и рост тканей.

Изучение срезов мозга человеческих эмбрионов, а также данные из существующих баз по экспрессии генов в мозге человека на разных стадиях развития показали, что OSTN действительно экспрессируется в человеческом неокортексе, особенно в затылочных и теменных долях, и, в меньшей степени, в миндалевидном теле, но не работает в других отделах мозга, таких как стриатум, мозжечок или гиппокамп. Максимальная активность OSTN наблюдается на поздних эмбриональных стадиях и в детстве, когда процессы формирования межнейронных связей в неокортексе идут наиболее интенсивно (рис. 2).


Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга

Рис. 2. Уровень экспрессии OSTN в разных отделах человеческого мозга на разных стадиях развития. По горизонтальной оси — возраст от момента зачатия в днях (шкала логарифмическая). NCX — неокортекс, HIP — гиппокамп, AMY — миндалевидное тело, STR — стриатум, MD — медиодорзальное ядро таламуса, CBC — кора мозжечка. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


Почему ген, который у мышей (и у большинства других млекопитающих, см. ниже) работает только в мышцах и костях, у человека стал работать в неокортексе? С технической точки зрения, это могло произойти либо в результате изменения регуляторных участков ДНК, от которых зависит, какими ТФ регулируется работа OSTN, либо в результате изменения экспрессии самих ТФ. В первом случае ген OSTN мог попасть под контроль какого-то ТФ, который давно экспрессировался в мозге, но геном OSTN ранее не заведовал. Во втором случае ТФ, издавна контролировавший работу гена OSTN, но не работавший в мозге, мог начать экспрессироваться в нейронах коры.

Эксперименты с трансгенными нейронами показали, что в данном случае эволюция шла по первому сценарию. Исследователи вставляли в нейроны человека и мыши, выращиваемые в культуре, генетическую конструкцию, содержащую ген люциферазы, соединенный с предполагаемой регуляторной областью OSTN (участок некодирующей ДНК длиной в 2000 пар оснований (п. о.), расположенный непосредственно перед геном). Выяснилось, что человеческая (но не мышиная) регуляторная область OSTN обеспечивает экспрессию подконтрольного гена (в эксперименте — люциферазы, а в естественных условиях — OSTN) и в человеческих, и в мышиных возбужденных нейронах. Значит, дело именно в регуляторной области OSTN, а не в разных наборах ТФ в клетках мозга человека и мыши.

Дальнейшие опыты, в ходе которых от найденного регуляторного участка отрезались те или иные кусочки, показали, что экспрессия OSTN в работающих нейронах зависит от небольшого (длиной 85 п. о.) фрагмента ДНК (энхансера), расположенного в 600 п. о. перед точкой начала транскрипции OSTN. Внутри энхансера находятся три коротких (длиной по 10 нуклеотидов) последовательности, к которым могут прикрепляться ТФ из семейства MEF2 (рис. 3).


Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга

Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга

Рис. 3. Регуляторный участок (энхансер) гена OSTN у разных видов млекопитающих. Голубым цветом выделены три сайта связывания транскрипционных факторов MEF2 (MRE — MEF2-responsive elements). Серым цветом показаны консервативные (одинаковые у всех) нуклеотиды, черным — варьирующие, красным — нуклеотиды, которые не позволяют транскрипционным факторам MEF2 прикрепляться к ДНК. Видно, что только у обезьян (Anthropoid primates) все три MRE пригодны для прикрепления MEF2. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature


Этот факт показывает, что исследователи, возможно, действительно наткнулись на что-то важное. Дело в том, что транскрипционные факторы MEF2 играют весьма существенную роль в развитии неокортекса млекопитающих. Эти ТФ активируются в ответ на поступление в цитоплазму нервной клетки ионов кальция (это происходит при возбуждении нейрона). Перейдя в активное состояние, белки MEF2 отправляются в клеточное ядро и запускают экспрессию ряда генов, важных для обучения и умственного развития. Ранее было показано, что мутации MEF2 (а также генов, подконтрольных MEF2), ведут к различным нарушениям — от расстройств аутистического спектра до тяжелой умственной отсталости. У человека (но не у мыши) в число генов, контролируемых MEF2, попал и ген OSTN.

Авторы сравнили строение найденного энхансера у разных млекопитающих (рис. 3). Оказалось, что только у обезьян (включая человека) все три 10-нуклеотидные последовательности действительно пригодны для прикрепления MEF2. Дополнительные эксперименты на клеточных культурах подтвердили, что MEF2 прикрепляются к обезьяньему, но не к мышиному варианту энхансера, запуская экспрессию OSTN в активно работающих нейронах.

Из этого следует, что исходно у млекопитающих ген OSTN в мозге не работал. Однако у обезьян, благодаря всего нескольким нуклеотидным заменам, он попал под управление MEF2 и начал экспрессироваться в нейронах коры при их возбуждении. Впрочем, MEF2, по-видимому, не являются единственными регуляторами экспрессии OSTN в неокортексе обезьян; возможно, дальнейшие исследования позволят выявить дополнительные регуляторы.

Были проведены также опыты на макаках-резусах — классическом объекте для изучения работы неокортекса, в особенности — зрительных отделов затылочной доли. Обезьянам блокировали передачу нервных импульсов в зрительную кору от одного глаза, чтобы сравнить экспрессию генов в клетках зрительной коры, получающих и не получающих сигналы от сетчатки. Выяснилось, что OSTN избирательно экспрессируется в тех нейронах зрительной коры, которые получают зрительную информацию, и не экспрессируется в бездействующих нейронах. Более того, оказалось, что экспрессия OSTN приурочена лишь к одному из шести слоев неокортекса, а именно к слою IV (см. Cerebral cortex: Layered structure). Нейроны слоя IV специализируются на получении и обработке сигналов, приходящих от органов чувств, а также от других отделов мозга.

После этого авторы поставили еще одну серию экспериментов на клеточных культурах, чтобы проверить, влияет ли OSTN на рост дендритов — отростков, служащих для получения нейронами входящих сигналов. Структура сетей межнейронных взаимодействий определяется в первую очередь количеством и разветвленностью дендритов. Выяснилось, что уровень экспрессии OSTN влияет на рост дендритов самым радикальным образом: отключение этого гена ведет к бурному разрастанию дендритной сети, а искусственное повышение его экспрессии резко подавляет рост дендритов (рис. 4).


Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга

Рис. 4. Экспрессия OSTN влияет на рост дендритов. На каждой картинке показана дендритная сеть одного нейрона. Нейроны в клеточной культуре подвергались постоянной искусственной стимуляции при помощи KCl. a — контроль, b — ген OSTN выведен из строя, c — экспрессия OSTN искусственно усилена. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature


Наряду с другими исследованиями (см.: Вирус, встроившийся в геном наших предков, влияет на работу мозга, «Элементы», 19.11.2013), данная работа показывает, что появление у некоторых генов новых функций в мозге, обусловленное мутационными изменениями регуляторных участков этих генов, по-видимому, сыграло важную роль в усложнении мозга и развитии умственных способностей у обезьян вообще и у человека в частности.

Источник: Bulent Ataman, Gabriella L. Boulting, David A. Harmin et al. Evolution of Osteocrin as an activity regulated factor in the primate brain // Nature. 2016. V. 539. P. 242–247.

См. также:
Вирус, встроившийся в геном наших предков, влияет на работу мозга, «Элементы», 19.11.2013.

Александр Марков


08 август 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Устойчивое развитие конечностей у мышей обеспечивается дублированием регуляторов

В геномах млекопитающих число регуляторных участков ДНК — энхансеров — на порядок превышает число белок-кодирующих генов. Эксперименты на генно-модифицированных мышах, которым при помощи CRISPR-Cas9

Человеческий мозг такой большой благодаря генам семейства Notch2NL

Недавно вышли две статьи, посвященные новооткрытым генам, сыгравшим, по-видимому, существенную роль в эволюции размера человеческого мозга. Речь о генах из семейства Notch2NL, появившегося у общего

С увеличением мозга растет относительный размер ассоциативных зон

Анализ детальных трехмерных изображений мозга 2904 людей показал, что у индивидов с крупным мозгом относительный размер ассоциативных зон коры больше, а сенсомоторных и лимбических — меньше, чем у

Расшифрован механизм, сглаживающий последствия нонсенс-мутаций

Разные способы отключения генов могут приводить к разным фенотипическим эффектам. Подавление экспрессии гена («нокдаун») может серьезно изменить фенотип, в то время как «нокаутирование» того же гена

Созданы трансгенные обезьяны с человеческим вариантом гена microcephalin

Китайские генетики сообщили о создании одиннадцати трансгенных макак-резусов с человеческим вариантом гена microcephalin. Изменения этого гена предположительно сыграли важную роль в эволюции мозга и

Генетики нашли кости в пенисе человека

Ученые нашли конкретные буквы, которые были стерты эволюцией в процессе превращения обезьяны в человека. Оказалось, что наш геном содержит множество генов, которые были впопыхах выключены — чтобы
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Как выглядит заброшенный город будущегоДостоинства ИБП марки ApcКак алкоголь вредит печени?5 крупных палеонтологических открытий 2019 годаНайден способ восстановить зубную эмаль"Рога дьявола" взошли над КатаромОчень детальное изображение Луны, собранное из 100 тыс. фотографий«Хаббл» заснял галактику-гиганта