Исследователи из Гладстоунского института науки о данных и биотехнологии и Калифорнийского университета в Сан-Франциско обнаружили большие структурные изменения в геномах наших ранних предков, которые расположены вокруг HARs — зон ускоренного развития. По мнению ученых, в итоге они вызвали целый каскад более мелких перемен, в том числе изменили способ свертывания ДНК ранних людей. Исследование в Science.
В начале 2000-х эта же команда под руководством профессора сравнивала геномы человека и шимпанзе и обнаружила участки ДНК, которые теперь называют зонами ускоренного развития человека — HARs. У нас это 49 сегментов, которые сильно отличаются от аналогичных у других приматов и вообще млекопитающих. У остальных позвоночных они почти не менялись на протяжении всей эволюции, но у ранних людей внезапно изменились в последние миллионы лет. И скорость мутаций была в 70 раз выше, чем у всего генома.
Позже генетики выяснили, что большинство HAR-областей — это энхансеры (усилители), то есть небольшие участки ДНК, которые регулируют активность генов, отвечающих за развитие мозга. Но было неясно, как эти HARs появились, почему так быстро менялись и как повлияли на то, что люди стали отличаться от других приматов.
В новой работе специалисты проанализировали HARs и их окружение в геноме у 241 вида млекопитающих. Оказалось, что HARs, как правило, расположены в областях генома, которые у человека сильно структурно отличаются от тех же областей у других животных. В 30% случаев в этих областях структурные вариации (отличия) привели к тому, что ДНК у человека сворачивается иначе, чем у шимпанзе и остальных приматов.
По словам Кэтрин Поллард, ДНК скручивается в трехмерном пространстве подобно оригами, и от способа, которым она сложилась, зависит то, каким образом энхансеры должны влиять на активность генов. Когда менялось сворачивание генома, усилителям тоже приходилось быстро ориентироваться.
«Представьте, что вы усилитель, контролирующий уровень гормонов в крови, а затем ДНК складывается по-новому, и внезапно вы сидите рядом с геном нейротрансмиттера, и вам нужно регулировать уровни химических веществ уже в мозге, а не в крови. Ваши инструкции устарели и их необходимо экстренно изменить».
Команда также проследила в лабораторных экспериментах, какие именно участки ДНК попали под контроль этих HARs. У человека в большинстве случаев они были близки к генам, которые играют роль в развитии мозга. Также некоторые были связаны с ЦНС и психическими заболеваниями.
По выводам авторов, все могло начаться более миллиона лет назад, когда во время формирования яйцеклетки или сперматозоида у раннего человека произошло случайное событие, приведшее к перестройке больших фрагментов генома. Удаление, дублирование или изменение участков ДНК привело к появлению HARs, а они, в свою очередь, повлияли на развитие нашего вида.
