Zespół naukowców z Duke’a zidentyfikował grupę ludzkich sekwencji DNA odpowiedzialnych za zmiany w rozwoju mózgu, trawieniu i odporności, które wydają się ewoluować szybko po tym, jak nasza linia rodzinna oddzieliła się od linii szympansów, ale zanim podzieliliśmy się z neandertalczykami.
Nasze mózgi są większe, a jelita krótsze niż u naszych małpich rówieśników.
„Wiele cech, które uważamy za wyjątkowo ludzkie i specyficzne dla człowieka, prawdopodobnie pojawiło się w tym okresie”, w ciągu 7,5 miliona lat od rozstania ze wspólnym przodkiem, którego dzielimy z szympansem, powiedział Craig Lowe, Ph. .D., adiunkt genetyki molekularnej i mikrobiologii w Duke School of Medicine.
W szczególności sekwencje DNA, o których mowa, które naukowcy nazwali regionami szybko ewoluującymi przodków człowieka (HAQERS), wymawianymi jak hakerzy, regulują geny. Są to przełączniki, które mówią pobliskim genom, kiedy mają się włączać i wyłączać. Odkrycia pojawiają się 23 listopada w czasopiśmie Cell.
Lowe powiedział, że szybka ewolucja tych regionów genomu służyła jako precyzyjne dostrojenie kontroli regulacyjnej. Więcej przełączników zostało dodanych do systemu operacyjnego człowieka, gdy sekwencje rozwinęły się w regiony regulacyjne, i zostały one bardziej precyzyjnie dostrojone, aby dostosować się do wskazówek środowiskowych lub rozwojowych. Ogólnie rzecz biorąc, zmiany te były korzystne dla naszego gatunku.
„Wydają się szczególnie specyficzne w powodowaniu włączania się genów, myślimy tylko o niektórych typach komórek w określonych momentach rozwoju, a nawet genach, które włączają się, gdy środowisko zmienia się w jakiś sposób” – powiedział Lowe.
Wiele z tych genomicznych innowacji odkryto w rozwoju mózgu i przewodzie pokarmowym. „Widzimy wiele elementów regulacyjnych, które włączają się w tych tkankach” – powiedział Lowe. „Są to tkanki, w których ludzie udoskonalają, które geny ulegają ekspresji i na jakim poziomie”.
Dziś nasze mózgi są większe niż u innych małp człekokształtnych, a jelita krótsze. „Ludzie postawili hipotezę, że te dwie tkanki są nawet ze sobą powiązane, ponieważ są to dwie naprawdę drogie tkanki metaboliczne” – powiedział Lowe. „Myślę, że to, co widzimy, to to, że tak naprawdę nie było jednej mutacji, która dała ci duży mózg i jedną mutację, która naprawdę uderzyła w jelita, prawdopodobnie było to wiele z tych małych zmian w czasie”.
Aby uzyskać nowe odkrycia, laboratorium Lowe’a współpracowało z kolegami Duke, Timem Reddy, profesorem nadzwyczajnym biostatystyki i bioinformatyki, oraz Debrą Silver, profesor nadzwyczajną genetyki molekularnej i mikrobiologii, aby wykorzystać ich wiedzę. Laboratorium Reddy’ego jest w stanie obserwować miliony przełączników genetycznych jednocześnie, a Silver obserwuje przełączniki w działaniu w rozwijających się mózgach myszy.
„Naszym wkładem było to, że gdybyśmy mogli połączyć obie te technologie, moglibyśmy przyjrzeć się setkom przełączników w tego rodzaju złożonej rozwijającej się tkance, których tak naprawdę nie można uzyskać z linii komórkowej” – powiedział Lowe.
„Chcieliśmy zidentyfikować przełączniki, które były zupełnie nowe u ludzi” – powiedział Lowe. Obliczeniowo byli w stanie wywnioskować, jakie byłoby DNA przodka człowieka-szympansa, a także wymarłe linie rodowe neandertalczyków i denisowian. Naukowcy byli w stanie porównać sekwencje genomu tych innych krewnych po szympansach dzięki bazom danych utworzonym na podstawie pionierskiej pracy laureata Nagrody Nobla z 2022 r. Svante Pääbo.
„Tak więc znamy sekwencję neandertalską, ale przetestujmy tę sekwencję neandertalską i zobaczmy, czy naprawdę może włączyć geny, czy nie”, co zrobili dziesiątki razy.
“I pokazaliśmy, że to naprawdę jest przełącznik, który włącza i wyłącza geny” – powiedział Lowe. „Naprawdę zabawnie było zobaczyć, że nowa regulacja genów pochodzi z zupełnie nowych przełączników, a nie tylko z przebudowywanych przełączników, które już istniały”.
Wraz z pozytywnymi cechami, które HAQER dały ludziom, mogą być również zaangażowane w niektóre choroby.
Większość z nas ma zadziwiająco podobne sekwencje HAQER, ale istnieją pewne różnice i „byliśmy w stanie wykazać, że te warianty mają tendencję do korelacji z pewnymi chorobami”, powiedział Lowe, a mianowicie nadciśnieniem, nerwiakiem niedojrzałym, depresją jednobiegunową, depresją dwubiegunową i schizofrenią. Mechanizmy działania nie są jeszcze znane i trzeba będzie przeprowadzić więcej badań w tych obszarach, powiedział Lowe.
„Być może choroby specyficzne dla ludzi lub specyficzne dla ludzi podatności na te choroby zostaną preferencyjnie mapowane z powrotem do tych nowych przełączników genetycznych, które istnieją tylko u ludzi” – powiedział Lowe.
Wsparcie dla badań pochodziło od National Human Genome Research Institute – NIH (R35-HG011332), North Carolina Biotechnology Center (2016-IDG-1013, 2020-IIG-2109), Sigma Xi, The Triangle Center for Evolutionary Medicine i Duke Stypendium Whiteheada.