Геномы человека и шимпанзе, кодирующие белки, очень похожи с разницей всего в 1%. Понимание биологических особенностей, которые делают нас людьми, является частью увлекательного и активно обсуждаемого направления исследований. Ученые из Швейцарского института биоинформатики SIB и Университета Лозанны разработали новый подход, чтобы впервые точно определить адаптивные специфические для человека изменения в способе регуляции генов в мозге. Эти результаты открывают новые перспективы в изучении эволюции человека, биологии развития и нейробиологии. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Экспрессия гена, а не последовательность гена

Чтобы объяснить, что отличает человека от его родственников-обезьян, исследователи давно выдвинули гипотезу о том, что ключевую роль играет не столько последовательность ДНК, сколько регуляция генов (т.е. когда, где и насколько сильно ген экспрессируется). Однако точное определение регуляторных элементов, которые действуют как «диммеры генов» и отбираются положительно, является сложной задачей, которая до сих пор не давала ученым пройти этот сложный барьер.

Марк Робинсон-Рехави, руководитель группы в SIB и соавтор исследования, говорит: «Чтобы ответить на такие мучительные вопросы, нужно уметь идентифицировать те части генома, которые подверглись так называемой «положительной» селекции. Ответ представляет большой интерес для решения вопросов эволюции, но также, в конечном счете, может помочь в биомедицинских исследованиях, поскольку предлагает механистический взгляд на то, как функционируют гены».

Значительная часть регулирующих элементов в головном мозге человека была выбрана положительно

Ученые-исследователи из SIB и Университета Лозанны разработали новый метод, который позволил им идентифицировать большой набор регуляторных областей генов в мозге, выбранных на протяжении всей эволюции человека. Цзялин Лю, научный сотрудник и ведущий автор исследования, поясняет: «Мы впервые показываем, что человеческий мозг испытал особенно высокий уровень положительного отбора, по сравнению, например, с желудком или сердцем. Это захватывающе, потому что мы теперь есть способ идентифицировать участки генома, которые могли способствовать развитию наших когнитивных способностей!»

Чтобы прийти к своим выводам, двое ученых объединили модели машинного обучения с экспериментальными данными о том, насколько сильно белки, участвующие в регуляции генов, связываются со своими регуляторными последовательностями в разных тканях, а затем провели эволюционные сравнения между человеком, шимпанзе и гориллой. «Теперь мы знаем, какие именно области, контролирующие экспрессию генов в человеческом мозгу, являются положительно выбранными. И чем больше мы узнаем о генах, которые они контролируют, тем более полным будет наше понимание познания и эволюции и тем больше будет возможностей для действий», — заключает Марк Робинсон-Рехави.

Положительный отбор: намек на функциональную значимость мутации

Большинство случайных генетических мутаций не приносят пользы и не вредят организму: они накапливаются с постоянной скоростью, которая отражает количество времени, прошедшее с тех пор, как у двух живых видов был общий предок. Напротив, ускорение этой скорости в определенной части генома может отражать положительный отбор мутации, которая помогает организму выживать и воспроизводиться, что повышает вероятность передачи мутации будущим поколениям. Регуляторные элементы генов часто имеют длину всего несколько нуклеотидов, что делает оценку скорости их ускорения особенно сложной со статистической точки зрения.