Вирусы могут быть крошечными, но один из них, возможно, повлиял на крупные различия между мозгом человека и шимпанзе.
Миллионы лет назад вирус оставил фрагмент ДНК в геноме древней африканской человекообразной обезьяны. Этот генетический материал сохранился у современных шимпанзе. По данным исследователей, опубликованным 23 октября в журнале Science Advances, остатки древней инфекции, по-видимому, влияют на работу генов, участвующих в развитии нейронов. Это может помочь объяснить, почему мозг человека и шимпанзе так различается.
Мозг человека примерно втрое крупнее мозга шимпанзе и обладает более высокими когнитивными способностями. Однако «большинство генов, кодирующих белки, у них очень похожи», отмечает нейробиолог Йохан Якобссон из Лундского университета в Швеции. Поскольку крупных различий в генетическом коде нет, Якобссон и его коллеги изучили участки генома человека и шимпанзе, которые регулируют, где и когда гены включаются или выключаются.
Как вирусные фрагменты влияют на работу генов
Изменения в регуляции генов могут быть связаны с вирусами. Некоторые вирусы, называемые ретровирусами, встраивают собственную ДНК в геном хозяина, чтобы заставить его клетки производить новые вирусы. Однако такие паразитические фрагменты ДНК могут сохраняться и после того, как инфекция закончилась. Если это происходит в половых клетках, вирусная ДНК передаётся потомству вместе с ДНК хозяина.
Эти остатки, известные как эндогенные ретровирусы, уже не кодируют производство инфекционных вирусов, но могут существенно влиять на биологию организма — особенно если копируют себя в разных участках генома. Именно это и происходило: такие вирусные фрагменты составляют не менее 8 процентов геномов как человека, так и шимпанзе. В более широком смысле остатки вирусной ДНК связывают с важными эволюционными событиями, в частности с появлением плаценты у млекопитающих.
Якобссон и его коллеги изучили один конкретный вирусный след, обнаруженный у шимпанзе. Он остался после инфекции, которой древняя африканская человекообразная обезьяна перенесла между 5 и 7 миллионами лет назад. У шимпанзе вирусная ДНК встроилась в геном в 158 разных местах. У человека её, однако, нет. Почему — пока неизвестно.
Что показали эксперименты с клетками
Исследователи хотели выяснить, как именно этот след древнего патогена может влиять на мозг шимпанзе по сравнению с человеческим. Они работали со стволовыми клетками шимпанзе и удалили вирусную ДНК с помощью CRISPR — технологии редактирования генов, позволяющей точно разрезать выбранные участки ДНК.
После удаления вирусной ДНК расположенный рядом ген LINC00662, обычно выключенный у шимпанзе, активировался и начал производить РНК, которую команда смогла обнаружить. Это соответствует норме для клеток человеческого мозга, где LINC00662 активен. Исследователи также использовали CRISPR, чтобы выключить LINC00662 в человеческих клетках и тем самым воспроизвести состояние, наблюдаемое у шимпанзе.
Когда LINC00662 был активен в клетках шимпанзе или человека, исследователи заметили усиление активности других генов, которые могут иметь значение для развития мозга. Среди них — гены, участвующие в развитии и созревании нейронов, а также в образовании новых нейронных связей.
Пока неясно, как именно подавление этой сети генов вирусной ДНК повлияло на биологию мозга шимпанзе. Однако генетическое различие могло внести вклад в расхождение путей эволюции мозга человека и шимпанзе, говорит Якобссон. «Наши результаты показывают, как древнее встраивание вирусной [ДНК] могло привести к устойчивому различию в регуляции гена у человека и шимпанзе», — отмечает он. По его словам, в этом процессе могли участвовать и другие генетические изменения, а также факторы окружающей среды.
Оценки других исследователей
Ранее учёные пытались объяснить расхождение в эволюции мозга человека и шимпанзе точечными заменами отдельных букв в ДНК. Новое исследование показывает, что изменения генома могут накапливаться и другими способами, говорит эволюционный биолог Джорджия Моденини из Падуанского университета в Италии, не участвовавшая в работе.
Исследователи убедительно показали, что именно эти вирусные остатки влияют на различия в развитии нейронов человека и шимпанзе, считает эволюционный генетик Равиндер Канда из Оксфорд-Бруксского университета в Оксфорде, Англия. «Это они доказали совершенно точно. Но насколько далеко простирается этот эффект, пока сказать трудно».
По словам Канды, на активность генов могут влиять и другие механизмы регуляции. Кроме того, этот древний регулятор может быть лишь небольшой частью вирусных остатков, сформировавших развитие мозга. «Думаю, предстоит обнаружить ещё очень много ретровирусов, а пока мы коснулись лишь верхушки айсберга».