Исследователи из Германии изучили особенности белков, вовлеченных в клеточное деление у современного человека и у неандертальцев, наших ближайших предков. Анализ показал, что митоз стволовых клеток мозга вымерших гоминид протекал быстрее, однако сопровождался увеличением числа ошибок, связанных с разделением хромосом.
Эволюционное развитие предков современного человека ( Homo sapiens) и неандертальцев (Homo neanderthalensis) разошлись около полумиллиона лет назад. За это время в нашем геноме накопилось значительное количество изменений — по предварительным оценкам, H. sapiens отличается от вымершего гоминида (своего ближайшего родственника) примерно 100 аминокислотными остатками в различных белках.
Несмотря на то, что биологический смысл этих изменений пока не вполне ясен, немецкие ученые, являющиеся авторами новой статьи в журнале Science Advances. В ходе исследования были выявлены шесть мутаций, влияющих на три белка, ответственных за функционирование кинетохор — структур клеток хромосом, обеспечивающих их правильное разделение при митозе. Речь идет о белках KIF18a, KNL1 и SPAG5, которые активно продуцируются в стволовых клетках в процессе формирования коры больших полушарий, а именно — неокортекса. Именно этот отдел мозга обеспечивает выполнение сложных функций, включая обработку сенсорной информации, мышление, речь и другие когнитивные процессы.
Антропологи считают, что возникновение семейства гоминид связано с существенным усложнением структуры мозга, переходом к прямохождению и развитием особенностей строения кисти, что составляет так называемую гоминидную триаду. Анализ изученных черепов показывает, что объем мозга неандертальца был сопоставим с таковым у современного человека — единственного ныне живущего гоминида. Тем не менее, между ними существовали значительные различия, для выявления которых ученым пришлось провести анализ некоторых белков неандертальцев.
В первом эксперименте последовательность белков мыши изменили так, чтобы они точно соответствовали белкам Homo sapiens. Изначально у мышей эти гены полностью соответствовали генам неандертальцев и присутствуют у современных человекообразных обезьян. Технология генного редактирования CRISPR/Cas9 была применена для создания трансгенных грызунов, что позволило получить так называемых гуманизированных мышей, обладающих белками, характерными для человека.
«Наши исследования показали, что три аминокислотные остатка, присутствующие у современных людей в двух белках, связаны с увеличением продолжительности метафазы — этапа, на котором хромосомы готовятся к делению клетки, что способствует снижению числа ошибок при их распределении между дочерними клетками, стволовыми нервными клетками, подобно тому, как это наблюдается у современных людей», — объяснил Руководителем научной группы является Фелипе Мора-Бермудес.
Затем исследователи попытались установить, приводит ли интеграция белков неандертальцев в клетки современного человека к обратному процессу. Создание ребенка с генетическими изменениями не проводилось, и вместо этого для экспериментов были использованы органоиды мозга, известные как мини-мозги в пробирке. Это упрощенная версия настоящего органа, создаваемая в биореакторе на основе стволовых клеток. В последнее время «мини-мозги» приобрели популярность в биомедицинских исследованиях, поскольку они имитируют структуру тканей мозга, включая кору больших полушарий.
В этот раз метафаза оказалась более короткой, и исследователи зафиксировали большее количество ошибок при расхождении хромосом. Ученые полагают, что три изменения в последовательностях белков KIF18a и KNL1, характерные для современных людей, уменьшили число сбоев в этом важном для деления клеток и развития мозга процессе. Напомним, что нарушения расхождения хромосом не сулят ничего хорошего — их результатом могут стать трисомия (или развитие рака.
Согласно последним исследованиям, был обнаружен значимый фактор, способствующий Homo sapiens одержать верх над конкурентами, создать цивилизацию и преобразить облик всей планеты.