Чем отличается мозг человека от мозга его ближайших родственников на уровне отдельных клеток? Какие области мозга у человека достигли наивысшего развития по сравнению с приматами?
В недавнем исследовании, опубликованном в Genome Research, сообщается о результатах анализа мозга человека, шимпанзе, бонобо и макаки на уровне РНК, содержащихся в отдельных нейронах из разных отделов мозга. Ученые показали, что ключевые различия между мозгом человека и приматов связаны не с нейронами, а с клетками нейроглии, а именно – астроцитами и олигодендроцитами.
Что касается транскриптомных различий на уровне анатомических структур и отделов мозга, то в мозге человека признаки наиболее стремительной эволюции, по сравнению с приматами, отмечаются в коре больших полушарий, гипоталамусе, а также белом и сером веществе мозжечка.
Колоссальные отличия головного мозга человека от мозга его ближайших сородичей можно отследить не только на анатомическом или гистологическом уровне, но и на уровне различий в экспрессии генов нейронов и глиальных клеток, входящих в состав тех или иных структур. Профили экспрессии генов существенно различаются и у нейронов из разных отделов головного мозга.
Исследования, проведенные в начале 2000-х годов, выявили множество различий в профилях экспрессии генов нейронов человека и приматов, а также показали, что многие структуры головного мозга человека появились в результате особенно быстрых эволюционных изменений аналогичных структур у приматов. Более того, показано, что различия в профилях экспрессии генов у разных нейронов часто связаны с их специфическими функциями.
Первые исследования в основном были сосредоточены на изучении различий между транскриптомами нейронов коры больших полушарий человека и приматов, однако в последние несколько лет появились свидетельства, что и некоторые подкорковые структуры мозга человека существенно отличаются от таковых у наших ближайших сородичей. Благодаря развитию методов секвенирования РНК одиночных клеток стало возможным выявить популяции нейронов в мозге человека, существенно отличающиеся по профилям экспрессии генов, найти аналогичные группы нейронов у других приматов, в частности, у макак, и выявить гены, по-разному экспрессирующиеся в нейронах макаки и человека. Похожие результаты получили на искусственно выращенных «модельных мозгах» (органоидах) человека и шимпанзе.
Международная группа исследователей во главе с Екатериной Храмеевой и Филиппом Хайтовичем из Сколковского института науки и технологий пошла еще дальше и получила транскриптомные карты для мозга человека, шимпанзе, бонобо и макаки. В этом масштабном исследовании изучались транскриптомы нейронов из 33 областей мозга, полученных от четырех людей, трех шимпанзе, трех бонобо и трех макак резус. Тщательный анализ дифференциально экспрессирующихся генов позволил не только выявить интереснейшие особенности эволюции мозга человека, но и подтвердить с помощью биоинформатики некоторые экспериментальные данные, полученные другими методами. Помимо стандартного секвенирования РНК, в котором используется вся клеточная РНК, ученые применили к тем же образцам секвенирование РНК одиночных клеточных ядер, что позволило выявить некоторые тонкие различия между разными группами нейронов.
Исследователи показали, что разные структуры мозга у человека и у его ближайших сородичей отличаются в разной степени по профилям экспрессии генов, и подтвердили, что значимые различия затрагивают не только неокортекс, но и подкорковые структуры, хотя наиболее быстрые изменения экспрессии генов в ходе эволюции происходили в нейронах коры больших полушарий. Удалось выявить, что многие различия в экспрессии генов не приурочены к каким-то анатомическим структурам, а затрагивают только определенные типы нейронов и клеток глии, причем большая часть генов, уровень экспрессии которых у человека существенно отличается от приматов, связаны с базовыми функциями нейронов: синаптической передачей, выделением нейромедиаторов, регуляцией скорости экзоцитоза.
Впрочем, некоторые особенности мозга человека на клеточном уровне, отличающие его от мозга приматов, были описаны и раньше. В частности, в предшествующих исследованиях установили, что для мозга человека характерно более низкое, чем у приматов, значение отношения количества нейронов к числу глиальных клеток и повышенная доля нейронов фон Экономо (так называют особые нейроны коры больших полушарий, имеющие веретеновидную форму и специфичные для гоминид). Стоит, однако, отметить, что количество технических и биологических повторений каждого эксперимента не позволило ученым оценить количественно разницу в профилях экспрессии генов у разных типов клеток в нервной ткани человека и приматов.
Любопытно, что из всех типов клеток, присутствующих в мозге, наибольшие различия в профилях экспрессии генов между человеком и приматов обнаруживаются не в нейронах, а в глиальных клетках – астроцитах и олигодендроцитах, а также их клетках-предшественниках. Причем гены, экспрессия которых значимо различается между аналогичными популяциями нейронов у человека и приматов, свои для каждого отдела мозга. Этот вывод согласуется с гистологическими исследованиями, которые выявили существенные различия между некоторыми группами астроцитов у человека и приматов.
К сожалению, выяснить детали экспрессии генов в разных популяциях нейронов не удалось, поскольку количество ядер, использовавшихся в исследовании, было недостаточным. Тем не менее ученые смогли выяснить, что наибольшее количество нейронов с уникальными для человека особенностями экспрессии генов сосредоточено в семи из 33 исследованных областей мозга, в частности, в первичной соматосенсорной коре и белом веществе мозжечка.
Авторы исследования также проверили, связаны ли стремительные изменения в экспрессии некоторых генов, специфичных для нейронов человека, с их локализацией в участках генома, подвергающихся особенно усиленной эволюции. И, действительно, оказалось, что такие гены часто соседствуют с энхансерами (стимуляторами начала «чтения» гена), которые перекрываются с регуляторными элементами генома, подвергающимся усиленной эволюции у человека. Примечательно, что несмотря на существенные межвидовые различия в скорости эволюции аналогичных групп клеток и у человека, и у исследованных приматов эта скорость в разных группах нейронов примерно одинакова.
Текст: Елизавета Минина