Ключевая мутация отличает наш мозг от мозга неандертальцев и денисовцев

Работа проведена большим коллективом под руководством профессора Элиссона Мутри из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Ученые вырастили из стволовых клеток минимодели мозга неандертальца либо денисовца — если точнее, органоид, который можно рассматривать как модель коры больших полушарий человека. Стволовые клетки перед этим подвергли генетической модификации, заменив вариант одного гена на архаичный, имеющийся в мозге неандертальцев и денисовцев. С помощью этой модели они попытались разобраться, как единственная мутация привела к существенным различиям в мозге древних людей и современного человека.

Авторы проанализировали базы данных 1000 Genomes и Simons Genome Diversity в сравнении с геномами двух неандертальцев и одного денисовца. В геноме современного человека они нашли 61 несинонимичную замену нуклеотидов: несинонимичные замены изменяют аминокислотную последовательность белков. Очевидно, что эти приобретенные мутации обеспечивают фенотипические отличия современного человека от неандертальцев и денисовцев. Из этого набора они выбрали ген NOVA1, кодирующий белок, который взаимодействует с РНК и регулирует альтернативный сплайсинг (получение разных РНК с одного и того же гена). Таким образом, NOVA1 влияет на работу многих генов в процессе развития нервной системы, в числе прочего контролирует образование синапсов. Ген NOVA1 играет важную роль в эмбриональном развитии мозга, его мутации связаны с аутизмом и шизофренией.

У современного человека последовательность гена NOVA1 по сравнению с древними видами людей содержит одну замену, приводящую к замене одной аминокислоты (изолейцина на валин) в белке NOVA1, которая, в свою очередь, влияет на взаимодействие с РНК.

Используя технологию редактирования генома CRISPR-Cas9, ученые выполнили замену, возвращающую ген к «древнему» варианту, в геноме индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), полученных при перепрограммировании фибробластов от двух добровольцев. Дальнейший эксперимент проводили с двумя линиями клеток: в одной линии оба аллеля гена NOVA1 несли гаплотип современного человека, в другой линии оба аллеля несли древний гаплотип (неандертальский и денисовский).

Культивируя ИПСК в среде с добавлением определенных факторов роста, ученые получили из них нейроны. В культуральной среде клетки проявляли способность к самоорганизации и образовали трехмерные конгломераты размером в несколько миллиметров. Конгломераты проходили три стадии развития: образование; пролиферацию, когда они увеличивались в размерах, и созревание. На стадии созревания мозговые органоиды сформировали сеть нейронов, соединенных синапсами. В общей сложности их выращивание заняло два месяца. Внутри органоидов находилась пролиферативная зона, в которой клетки активно размножались, а снаружи они были покрыты сетью кортикальных нейронов.

Органоиды, полученные из немодифицированных ИПСК современного человека, были крупнее и имели правильную сферическую форму. Полученные из модифицированных по древнему типу ИПСК, были меньше по размеру, а формой напоминали попкорн. Анализ показал, что современные и условно древние клетки имели неодинаковый потенциал к пролиферации и апоптозу. Это стало причиной различий в размере и форме органоидов.

Мозговые органоиды обоих типов ученые сравнили по экспрессии генов. За счет того, что редактирование гена NOVA1 повлияло на альтернативный сплайсинг, 277 генов в клетках современного и древнего типов на разных стадиях созревания экспрессировались по-разному. Среди них были гены, участвующие в процессах клеточной пролиферации, миграции и образовании синапсов при формировании нервной системы. В органоидах из клеток древнего типа было снижено содержание пре-и постсинаптических белков, что влияет на работу синапсов и формирование нейронной сети.

Наконец, сравнили электрофизиологические свойства моделей мозга. Сеть нейронов демонстрировала образование электрических потенциалов, причем электрическая активность в разных нейронах органоидов из клеток современного типа была синхронизирована, а в органоидах из клеток древнего типа отличалась гораздо меньшей синхронностью.

Авторы выдвигают гипотезу, что мутация, с которой они работали, стала важным событием в эволюции человека, поскольку способствовала формированию специфической для современного человека нейронной сети.

«Это фантастика — увидеть, что замена всего одной пары оснований в ДНК человека может повлиять на то, как в мозге образуется нервная сеть, — комментирует руководитель работы Элиссон Мутри, директор программы по стволовым клеткам Калифорнийского университета в Сан-Диего и член консорциума по регенеративной медицине. — Мы не знаем точно, как и когда наша эволюционная история изменилась таким образом. Но, по-видимому, это изменение было существенным и может объяснить особенности современного человека в социальном поведении, языке, адаптации, креативности и использованию технологий».