Человек променял часть ДНК на мозг и моногамность

Человек многими деталями анатомии и физиологии отличается от животных, но генетическая основа этих отличий до сих пор изучена недостаточно. Этот пробел частично заполняет исследование, проведенное Дэвидом Кингсли (David Kingsley) из Медицинского института имени Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) Стенфордского университета с участием специалистов из Пенсильванского университета и Университета штата Джорджия. Ученые сравнили геномы человека, шимпанзе, макаки и мыши и нашли несколько сотен фрагментов ДНК, которые есть у мышей и обезьян, но отсутствуют у человека. Фактически, они имеются в геноме всех млекопитающих, включая шимпанзе, но наши предки в процессе эволюции их утратили.

Биологи описали 510 последовательностей, утраченных человеком. Из них только в одном случае предки человека потеряли целый ген, а остальные 509 представляют собой некодирующие участки, которые регулируют работу генов. От них зависит, где (в каких клетках) и когда (на какой стадии развития) тот или иной ген включится в работу. Изменение в регуляторных участках, как правило, не фатально для организма. «Если изменить схему включения и выключения гена в процессе развития, это может привести к большим изменениям в строении органов, хотя сами функции гена остаются прежними, -- объясняет Дэвид Кингсл. – Именно такие изменения чаще всего ведут к появлению новых признаков в ходе эволюции».

Анализ расположения этих участков показал, что большая часть из них соседствует с генами развития нервной системы и с генами системы стероидных гормонов. По словам авторов работы, для того, чтобы досконально изучить генетические отличия человека, они нуждаются в помощи разных специалистов: нейрофизиологов, антропологов, эмбриологов и т.д. Но кое-что удалось выяснить уже сейчас. Сложность заключается в том, что роль большинства утерянных регуляторных участков в геномах млекопитающих неизвестна. Поэтому непонятно, от чего отказались предки человека.

Потеря части ДНК привела к большому мозгу

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые изолировали некоторые фрагменты из генома имеющих их животных (мыши и шимпанзе), промаркировали их цветной меткой и поместили полученные гибридные последовательности в оплодотворенные яйцеклетки мыши. Проследив за светящимися метками в развивающихся мышиных эмбрионах, они увидели, где и в какой момент действуют регуляторы, а также как они изменяют экспрессию генов.

Один утраченный человеком сегмент ДНК расположен вблизи гена, который в норме ограничивает размножение клеток. «Если ген отсутствует полностью, начинается неконтролируемое размножение клеток, ведущее к раковой опухоли», -- объясняет Кингсли. Помеченный сегмент в эмбрионах мыши обнаружился в развивающемся мозге: в коре, вентральном таламусе и гипоталамусе, в субвентрикулярной (то есть, поджелудочковой) зоне. По-видимому, наши предки утратили фрагмент, запускающий ограничитель, и в результате получили интенсивный рост мозга, особенно новой коры. Это сыграло решающую роль в эволюции человека.

О вибриссах и шипиках

В другом случае предки человека вместе с утерей гена потеряли и часть органов: чувствительные вибриссы на морде и кератиновые шипики на пенисе. И то, и другое имеется у всех млекопитающих, кроме человека. За развитие того и другого отвечает андрогенный рецептор (он связывается с мужскими половыми гормонами, которые, кстати, имеются и у женщин).

В мышиных эмбрионах помеченные цветной меткой сегменты ДНК можно было видеть в зачатках вибрисс и в гениталиях. Это означает, что в данных областях они вызывают работу гена рецептора андрогена. Дальнейшие наблюдения показали, что эти сегменты участвуют в развитии вибрисс и шипиков. У человека, естественно, имеется ген андрогенного рецептора, но из-за потери регулятора в данных клетках в данное время он не включается. Поэтому у человека нет ни вибрисс на лице, ни шипиков на пенисе. Как отмечают авторы, последняя утрата снижает чувствительность и увеличивает длительность копуляции. Это предпосылка к развитию у наших предков устойчивых моногамных отношений с длительным половым актом. Параллельно происходили другие изменения – некоторая феминизация мужчин по сравнению с самцами шимпанзе: утрата самцовых клыков, уменьшение величины семенников и снижение подвижности сперматозоидов.

Очевидно, таких примеров намного больше, говорят исследователи. Они подчеркивают, что впервые удалось на молекулярном уровне описать изменения, связанные со специфически человеческими чертами. А такие черты касаются не только анатомии и физиологии, но и развития многих заболеваний. «Мы думаем, что такой подход поможет разобраться в механизмах возникновения человеческих болезней, -- говорит Кингсли. – И мы сможем понять, как черты современного человека формировались в ходе нашей генетической истории».

Результаты ученые опубликовали в последнем выпуске Nature.