Эволюция отбирала сперматозоиды, а получила большой мозг

Ученые из Германии под руководством Джереми Пульверс (Jeremy N.Pulvers) из Института молекулярной и клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка (Max Plank Institute of Molecular and Cell Biology and Genetics) исследовали генетическую подоплеку недоразвитости мозга. Эксперимент должен был пролить свет на эволюционные механизмы, которые способствуют процветанию животных с большой корой головного мозга -- млекопитающих. Ведь именно развитие сложноорганизованной коры привело человека на вершину эволюции, дало возможность мыслить и говорить. Исследование привело ученых к неожиданному выводу: похоже, большой мозг стал результатом отбора по совсем другому показателю -- количеству и качеству спермы.

Как возникают микроцефалы

Микроцефалия – тяжелое человеческое заболевание, при котором размер мозга меньше обычного. Недоразвитость головного мозга проявляется даже внешне – характерным «убегающим» к затылку лбом и искаженными чертами лица. На анатомическом уровне у микроцефалов недоразвиты все отделы головного мозга, но больше всего отстает кора больших полушарий. Понятно, что это приводит к психическим и лингвистическим расстройствам, эмоциональным и интеллектуальным дефектам.

Микроцефалию могут вызвать радиация, внутриутробные инфекции, отравления и генетические перестройки. Ученым давно известен один из генов, мутации которого уменьшают мозг – ASPM (abnormal spindle-like microcephaly associated). В предшествующих исследованиях экспериментаторы пришли к выводу, что если ген совсем отключить, то нейрональные стволовые клетки начинают делиться раньше, чем положено. При этом митоз происходит неравномерно и несимметрично, в результате чего нарождающиеся нейроны отличаются по размеру и имеют разный набор хромосом. Дело в том, что белок, кодируемый геном ASPM, регулирует работу митотического веретена деления (клеточной структуры, которая растаскивает хромосомы к полюсам), так что при его неправильной работе «новорожденные» клетки не могут быть здоровыми.

У пациентов с микроцефалией мутации по ASPM калечат белок – от теряет одну из функциональных частей. Мутированный ASPM не только изменяет мозг, но и ведет к образованию опухолей, причем в разных органах. Ученые пока не могут объснить, почему в других тканях отсутствие жизнено важного белка не проявляется столь фатально, как в мозге.

У мышей с малым мозгом сперматозоиды подкачали

Ученые исследовали влияние мутированного ASPM на здоровье мышей. Для этого они вырастили мышей с мутациями, аналогичными тем, которые наблюдаются у людей-микроцефалов. Другая группа экспериментальных грызунов содержала в своем геноме не мышиный, а человеческий ген. Оказалось, что мутации уменьшают мозг зверюшек. Биологи попытались вылечить этот дефект в эмбрионе -- для этого с помощью бактериальной хромосомы им пересадили человеческий здоровый ген. В результате на свет появились здоровые животные с нормальными массами тела и мозга. Однако умственные способности мышей от этого не изменились.

Ученые задались вопросом, как именно «микроцефалический» белок регулирует клеточное деление. Пока они сидели у микроскопа и разглядывали веретено деления, мыши размножались в виварии. Через некоторое время биологи вдруг обнаружили, что у животных с маленьким мозгом гораздо меньше потомства, по сравнению со здоровыми. Вряд ли это могло быть связано с тем, что мыши не понимали, что такое спаривание и как «этим» можно заняться. Поэтому экспериментаторы проверили репродуктивные способности грызунов. Оказалось, что мышам с мутированным геном не хватало не только мозгов, но и половых клеток. У микроцефалов не только мало сперматозоидов, но и качество подкачало -- они не способны на «марафонские» забеги.

Немецкие исследователи пришли к выводу, что эволюционному прогрессу мозга в значительной мере помогли семенники. Ведь у животных с большим количеством и лучшим качеством спермы было больше возможностей размножаться, а соответственно, и продвигать в эволюции большой мозг.

С подробностями эксперимента можно ознакомиться в статье Mutations in mouse Aspm (abnormal-spindle-like microcephaly associated) cause not only microcephaly but also major defects in the germline в журнале PNAS Genetics