| Энхансеры и промоторы, регулирующие формирование коры головного мозга, у человека активнее, чем у других животных
Чтобы понять, какие именно молекулярные механизмы «подняли» кору мозга человека на принципиально иной уровень сложности по сравнению с другими животными, ученые сравнили активности регуляторных генетических элементов человека, мыши и макака резуса на разных стадиях эмбриогенеза. Оказалось, что у человека многие регуляторные элементы существенно отличаются от мышиных и обезьяньих эпигенетическим ландшафтом: профилем модифицированных гистонов, «маркирующих» только активные энхансеры и промоторы. Человеческие энхансеры с метками активности позволяют регулируемым генам транскрибироваться в большем числе мозговых структур и отвечают за размножение клеток-предшественников нейронов, регуляцию их клеточного цикла и синтез внеклеточного матрикса. Благодаря этим процессам кора головного мозга человека становится сложнее уже на ранних стадиях развития.
| ||
В процессе эволюции кора головного мозга людей существенно увеличилась в размерах и усложнилась по своему устройству по сравнению с другими близкими видами животных.
Нашими интеллектуальными способностями и более высоким уровнем сознания мы обязаны сложно организованной коре. А она, в свою очередь, возникает благодаря некоторым модификациям процесса эмбрионального развития человека относительно родственных ему животных. У человека больше типов клеток-предшественников нейронов и больше их общее количество. В ходе формирования мозга зародыша несколько отличаются пути миграции нейронов, возникают новые связи между функциональными центрами (рис. 1).
Рисунок 1. Развитие коры головного мозга человека на 7, 8,5 и 12 неделях после оплодотворения. На этих стадиях происходит размножение клеток-предшественников нейронов и их миграция из глубоких слоев (VZ, вентрикулярная зоны) на поверхность (CP, кортикальная пластинка), где они формируют кору головного мозга. Количество и разнообразие клеток-предшественников нейронов на этих этапах, а также их пути миграции к окончательному местоположению определяют будущую сложность коры головного мозга. Рисунок из [2].
Чтобы понять, как человеческий мозг достиг такого высокого уровня развития, можно попытаться найти гены, благодаря работе которых в ходе эмбрионального развития формируется более сложная, чем у других животных, структура мозга. К примеру, недавно ученые обнаружили ген, которого нет даже у ближайшего из родственников человека — шимпанзе, — и который напрямую влияет на размер больших полушарий [1]. Если получить трансгенных крыс с таким человеческим геном, размер головного мозга у них будет значительно больше, чем у «нормальных» сородичей.
Кроме того, можно искать гены, чьи аналоги есть и у других животных, но которые по каким-то причинам усилили свою работу у человека, что повлияло на процесс развития его мозга. При этом можно ставить вопрос и по-другому — сфокусироваться не на выявлении генов, которые стали работать у человека активнее, а на поиске причин, которые побудили эти гены изменить активность.
Именно так и поступили ученые из Йельского университета: исследовали состояние регуляторных участков ДНК — энхансеров и промоторов, определяющих активности расположенных по соседству генов [2]. Для этих участков характерны определенные метки (ацетилированные и метилированныегистоны — H3K27ac и H3K4me2), присутствие которых связывают с интенсивностью работы регуляторного элемента*. Исследователи сравнили распределение этих меток в ДНК коры головного мозга зародышей человека, мыши и макака резуса на стадиях, соответствующих 7, 8,5 и 12 неделям человеческого эмбриогенеза, когда начинают проявляться различия в развитии мозга человека и других животных.
* — Последовательность активации различных участков ДНК при стимуляции описана в статье «Энхансеры транскрибируются раньше других генетических элементов в ходе клеточных ответов» [3], а «анатомия и физиология» гистонов затронута в обзоре «Транскрипция в хроматине: как проходить сквозь стены» [4]. — Ред.
Сначала ученые выявили, у каких человеческих энхансеров значительно больше меток в клетках коры мозга по сравнению с клетками других тканей. Всего исследовали 22 139 промоторов и 52 317 энхансеров, активных на той или иной стадии развития человеческого мозга. Одновременно двумя типами маркерных гистонов (H3K27ac и H3K4me2) оказались отмечены 85% промоторов и 45% энхансеров. Были выявлены также 16 473 энхансера, наиболее сильно маркированные H3K27ac в коре мозга по сравнению с другими тканями. Бóльшее их количество было сосредоточено в окрестностях генов, вовлеченных в развитие коры (например, стимулирующих нейрогенез и деление клеток-предшественников нейронов).
Такую же работу по выявлению активных регуляторных элементов и меток активности на них в коре мозга и других тканях зародыша проделали на мышах и макаках. После этого приступили к самому интересному — сравнению данных. Во-первых, оказалось, что распределение меток активности энхансеров и промоторов в разных тканях человека более сходно с распределением у макака резуса, чем у мыши. Наверное, этот результат никого не удивил, однако подтвердил существование связи между степенью сходства эпигенетических профилей и эволюционной дистанцией между организмами. Во-вторых, обнаружили, что 2 855 промоторов и 8 996 энхансеров клеток человеческого мозга приобрели в процессе эволюции больше активных меток по сравнению с двумя другими видами животных. Исследованные регуляторные элементы не отличались бóльшим количеством нуклеотидных замен по сравнению с другими участками ДНК, то есть основным их отличием (как у человека, так и у макака с мышью) были именно эпигенетические метки.
Могут ли такие эпигенетические различия приводить к существенным изменениям в процессе развития коры? Чтобы проверить это, ученые решили дать энхансерам из разных организмов равные шансы проявить себя, введя их в один и тот же организм. С помощью репортерного вектора Hsp68-lacZ [5] они получили трансгенные эмбрионы мышей, у которых под контроль человеческого или обезьяньего энхансера был поставлен ген lacZ бактерии Escherichia coli, активность которого легко проследить по окрашиванию среды, содержащей X-gal, в голубой цвет. В результате эксперимента было показано, что человеческий энхансер вызывал наибольшую активность репортерного гена, причем в большем количестве отделов мозга эмбриона.
Подтвердив, что эпигенетические различия связаны с локализацией и интенсивностью работы регуляторного элемента, ученые решили выяснить, какими именно генами управляют «маркированные» энхансеры и промоторы в клетках коры головного мозга человека. Для этого они использовали данные по активностям генов на тех стадиях эмбрионального развития, когда возникают различия в развитии мозга человека по сравнению с другими животными.
Оказалось, что можно выделить несколько наборов коэкспрессирующихся генов, которыми управляло больше всего регуляторных элементов человека, обильно маркированных модифицированными гистонами. Один из наборов отвечал за размножение клеток-предшественников нейронов, другой регулировал клеточный цикл предшественников нейронов, третий влиял на наработку внеклеточного матрикса, определяющего направление миграции клеток-предшественников нейронов в мозге зародыша.
Получается, что сложность нашей высшей нервной деятельности в значительной степени определяется эпигенетическими факторами.
Литература
| |||
суббота, 16 мая 2015 г.
Энхансеры и промоторы, регулирующие формирование коры головного мозга, у человека активнее, чем у других животных
