Эксперимент по пересадке микробиоты показал, что бактерии приматов с крупным мозгом активируют у грызунов те же генетические механизмы, которые отвечают за высокий интеллект у людей.
Человеческий мозг занимает всего 2% от массы тела, но потребляет 20% всей энергии организма. В эволюционной биологии долгое время оставался открытым вопрос: откуда наши предки взяли ресурсы на содержание такого дорогого органа?
Генетики искали ответ в мутациях самого человека, изменивших обмен веществ. Однако существовала гипотеза, что одних лишь внутренних изменений было недостаточно, и приматы могли делегировать часть работы по добыче энергии своим кишечным симбионтам. Чтобы проверить это, требовался эксперимент, исключающий влияние собственной генетики носителя.
Авторы исследования, опубликованного в журнале PNAS, заселили стерильных мышей микробиотой трех видов приматов с разным размером мозга. Для чистоты эксперимента ученые разделили факторы родства и объема мозга: донорами стали люди (крупный мозг), макаки (небольшой мозг, близкие родственники человека) и беличьи обезьяны (крупный относительный мозг, но дальние родственники). Чтобы не просто наблюдать, а доказать функциональную связь, команда использовала нейронную сеть MiMeNet, которая сопоставила 11359 активных генов мозга мышей с метаболическими путями конкретных бактерий.
Анализ показал, что микробиота человека и беличьих обезьян, несмотря на их эволюционную удаленность, действует на мозг мышей схожим образом: она активирует гены, отвечающие за выработку энергии. Микробы человека специфически усилили окислительное фосфорилирование — самый эффективный способ получения клеточного АТФ — и метаболизм глюкозы.
Чтобы понять эволюционное значение этих изменений, ученые взяли карту экспрессии генов окислительного фосфорилирования (то есть производства энергии), вызванной бактериями, и наложили её на карту тех зон мозга человека, которые эволюционно расширились сильнее всего по сравнению с макаками. Эти карты совпали: те зоны мозга, которые в ходе эволюции выросли сильнее всего, оказались наиболее зависимы от подпитки, которую обеспечивают бактерии.
Кроме того, «человеческая» микробиота стимулировала у мышей выработку белка DLG4, необходимого для формирования новых связей между нейронами. То есть микробы способствовали усложнению структуры мозга.
Наконец, ученые увидели, что человеческие бактерии подавляли активность генов, связанных с нейропсихиатрическими расстройствами, такими как аутизм и СДВГ. При этом микробиота макак стимулировала у мышей более быстрый рост тела и накопление жира, тогда как микробы крупных приматов перенаправляли ресурсы на «питание» когнитивных функций.
Результаты подтверждают, что состав кишечного сообщества эволюционировал совместно с мозгом приматов. Микробиота помогла предкам человека преодолеть энергетический барьер и развить сложнейшую нервную систему Saimiri oerstedii.
Автор: Максим Абдулаев