Древний энхансер, который быстро эволюционировал у человека, влияет на развитие мозга и когнитивную гибкость

Human-accelerated regions (HAR) — участки генома, которые эволюционировали особенно быстро после разделения линий человека и шимпанзе, но при этом высококонсервативны у других млекопитающих, что указывает на их значимость. Они чаще всего (в 96% случаев) располагаются в некодирующих областях, и об их функциях мало что известно. Однако установлено, что многие HAR играют роль регуляторных элементов, например энхансеров. Ученые из США определили биологическую функцию одной из таких областей — HAR123, которая находится в интроне гена SMG6.

В развитии и функционировании нервной системы — то, что в первую очередь отличает человека от других приматов, — важную роль играет нонсенс-опосредованный распад мРНК (nonsense-mediated mRNA decay, NMD). Это цитоплазматическая система контроля качества матричных РНК, которая направляет на утилизацию мРНК, содержащие стоп-кодоны в неправильных местах, и тем самым предотвращает продукцию укороченных белков. Сейчас известно, что NMD контролирует и нормальные мРНК, таким образом, его следует рассматривать как фундаментальный механизм посттранскрипционной регуляции.

Авторы провели скрининг 24 генов, связанных с NMD, на присутствие 3171 известного в настоящее время HAR. В этих генах было выявлено только два HAR, и оба они, HAR53 и HAR123, находились в гене SMG6, кодирующем эндонуклеазу, которая расщепляет мРНК-мишени. Но связана ли их функция с функцией SMG6, не было понятно.

HAR53 расположен в кодирующей области. Тем не менее, когда авторы экспрессировали в эмбриональных стволовых клетках человека варианты человеческого SMG6 с последовательностями HAR53 от шимпанзе и мыши, не изменились ни уровни большинства исследованных РНК-мишеней NMD, ни особенности формирования зародышевых листков.

В дальнейшем внимание исследователей было сосредоточено на HAR123 — последовательности из 442 нуклеотидовв интроне гена SMG6. Эта последовательность консервативна у всех млекопитающих, включая сумчатых, но с момента разделения линий человека и шимпанзе претерпела значительные изменения (девять различающихся нуклеотидов).

Биохимические и трансгенные тесты показали, что HAR123 обладает маркерами активного энхансера и стимулирует транскрипцию как в клеточных репортёрных системах, так и in vivo в эмбрионах мыши. Человеческий HAR123 проявлял энхансерную активность в переднем и среднем мозге и в меньшей степени в заднем мозге, тогда как HAR123 шимпанзе — преимущественно в среднем и заднем мозге.

CRISPR-нокаут HAR123 в человеческих эмбриональных стволовых клеток нарушил формирование in vitro клеток-предшественников нейронов (NPC) и нейроэктодермы. Секвенирование РНК единичных клеток показало, что отсутствие HAR123 задерживает дифференцировку клеток на промежуточной стадии и изменяет экспрессию генов, связанных с развитием нервной системы.

При замене человеческого HAR123 на HAR123 шимпанзе или мыши основная функция по генерации NPC сохранялась, но наблюдалось накопление промежуточных клеток и отличия в динамике дифференцировки. Авторы сделали вывод, что в нормальном функционировании NPC у человека важную роль играет человеческий вариант HAR123. В частности, у человека и шимпанзе по-разному эволюционировала его способность регулировать развитие нейронов и глиальных клеток из NPC: человеческий вариант заметно сильнее благоприятствует дифференциации в нейроны.

Гены, которые могут регулироваться HAR123, авторы искали с помощью анализа 3D-структуры хроматина (Hi-C), выявляющим физические взаимодействия участков ДНК. Ожидаемо, такие гены были найдены только в хромосоме 17, где расположен SMG6, а наиболее значимыми были сайты взаимодействия с HAR123 в соседнем гене HIC1, кодирующем транскрипционный репрессор. Усиленная экспрессия HIC1 восстанавливала способность клеток с нокаутом HAR123 развиваться в NPC.

Наконец, авторы получили мышей с нокаутом HAR123, чтобы проверить, важен ли он для высшей нервной деятельности. Мыши были жизнеспособными и плодовитыми, но проявили пониженную когнитивную гибкость в тестах на переучивание (reversal learning), когда животные запоминают визуальный сигнал, указывающий на цель, а потом он изменяет положение. В то же время базовая память и обучение, проверенные в различных поведенческих тестах, у них не пострадали. В гиппокампе этих мышей уменьшилось соотношение нейронов к глии, что согласуется с данными in vitro.

Таким образом, HAR123 — древний энхансер, ускоренно эволюционировавший у предков человека и играющий ключевую роль в развитии нервной системы. Он способствует формированию клеток-предшественников нейронов, влияет на баланс нейронов и глии, а также регулирует экспрессию генов, критичных для развития и функционирования мозга. Человеческая версия HAR123 демонстрирует уникальные регуляторные свойства по сравнению с ортологами у шимпанзе и мыши, и это может быть связано с эволюцией специфических для человека когнитивных особенностей. Важность HAR123 для когнитивной гибкости может иметь значение для понимания механизмов развития мозга в норме и при патологиях.

Уникальная для человека мутация отличает его от шимпанзе и неандертальцев