Уникальный генетический механизм: как ДНК-энхансер меняет мозг — революция в эволюции!

Исследование, проведённое в Медицинском центре Университета Дьюка, выявило специфичный для человека ДНК-энхансер, который регулирует пролиферацию нервных клеток-предшественников и размер коры головного мозга. Небольшие генетические изменения в HARE5 усиливают ключевой путь развития, что приводит к увеличению размера коры головного мозга и количества нейронов в экспериментальных моделях. Полученные результаты имеют значение для понимания генетических механизмов, лежащих в основе нарушений развития нервной системы.

Люди обладают значительно большей и более сложной корой головного мозга по сравнению с другими видами, что, несомненно, способствует развитию когнитивных функций. Сравнительные геномные исследования выявили Зоны Ускоренного развития у Человека (HARS), которые представляют собой сегменты некодирующей ДНК с генетическими изменениями, специфичными для человека. Многие HARS расположены рядом с генами, связанными с развитием мозга и дифференцировкой нервной системы.

Поскольку тысячи HARS были идентифицированы и связаны с генами, отвечающими за работу мозга, следующим важным шагом будет изучение того, как эти регуляторные элементы активно формируют особенности человеческого мозга.

HARE5, специфический ген HAR, расположенный на 10-й хромосоме, функционирует как энхансер для FZD8, гена-рецептора, участвующего в сигнальном пути WNT. Регуляторные модификации в HARE5 связаны с развитием коры головного мозга, но молекулярные механизмы, с помощью которых специфические для человека изменения нуклеотидов влияют на поведение нейронов-предшественников, остаются неясными.

Исследование выявило, что специфичный для человека энхансер точно настраивает потенциал радиальной глии и кортикогенез. Исследователи использовали ряд методов редактирования генома, чтобы изучить, как специфические для человека нуклеотидные изменения в HARE5 влияют на развитие коры головного мозга.

Были созданы мышиные модели с отредактированными версиями HARE5, включая последовательности человека, шимпанзе и мыши. Эмбриональные стволовые клетки человека и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки шимпанзе были отредактированы таким образом, чтобы экспрессировать HARE5 человека или шимпанзе.

Нервные клетки-предшественники человека и шимпанзе, а также кортикальные органоиды были проанализированы для оценки активности энхансеров и пролиферации клеток.

Для создания мышиных моделей, экспрессирующих последовательности HARE5 человека, шимпанзе или мыши, было использовано редактирование генома. CRISPR-интерференция (CRISPRi) была нацелена на HARE5, чтобы оценить его регуляторное влияние на экспрессию FZD8 в клетках-предшественниках нервной системы.

Для оценки пролиферации и дифференцировки нейронов-предшественников были проведены визуализация в реальном времени, секвенирование РНК отдельных клеток и отслеживание происхождения.

Функциональный анализ размера коры головного мозга, количества нейронов и динамики нейронных предшественников был проведён с помощью широкоугольной кальциевой визуализации у мышей. Кортикальные органоиды, полученные из геномно-модифицированных стволовых клеток человека и шимпанзе, были проанализированы для оценки активности энхансера HARE5 и пролиферации клеток.

Для измерения уровня экспрессии генов FZD8 и связанных с ним компонентов сигнального пути использовались количественная ПЦР и секвенирование РНК.

У мышей с генной модификацией HARE5 размер коры головного мозга и количество нейронов были увеличены по сравнению с контрольной группой. Количественная оценка зрелых нейронов показала значительное увеличение их количества, особенно в верхних слоях коры головного мозга.

Живая визуализация и отслеживание клеточных линий продемонстрировали повышенную пролиферацию и самообновление радиальных глиальных клеток на ранних стадиях развития, за которыми следует расширение нейрогенного потенциала в период среднего нейрогенеза. Четыре специфические замены нуклеотидов в HARE5 у человека в совокупности привели к повышению активности энхансера, при этом варианты I и II обеспечили примерно 80% эффекта.

Мутации, связанные с расстройствами аутистического спектра, расположенные рядом с вариантом I, значительно снижали активность энхансера, что коррелировало с уменьшением пролиферации нейронов-предшественников. Условное выключение HARE5 у мыши приводило к уменьшению размера коры головного мозга, подтверждая необходимость энхансера для ее развития. CRISPR-интерференция подтвердила специфичность регуляторного влияния HARE5 на экспрессию Fzd8.

Повышенная функциональная независимость между областями коры головного мозга была обнаружена с помощью широкополевой кальциевой визуализации у мышей с выключенным геном HARE5, что указывает на более широкие последствия на сетевом уровне.

Исследователи продемонстрировали, что небольшие генетические изменения в ДНК-энхансере, характерном для человека, могут существенно повлиять на развитие нервной системы. Полученные результаты дают представление о том, как регуляторные последовательности ДНК влияют на структуру мозга, и указывают на потенциальные пути, по которым эволюционные изменения в ДНК могут способствовать нарушениям развития нервной системы.

Выявление того, как конкретные нуклеотидные вариации в гене HARE5 влияют на увеличение размера коры головного мозга и выработку нейронов, обеспечивает основу для изучения генетических факторов, лежащих в основе сложности мозга.

Будущие исследования могут быть направлены на изучение того, как схожие последовательности ДНК влияют на работу нервной системы и когнитивное развитие, что может помочь в понимании таких состояний, как расстройства аутистического спектра.

Ссылка:

Liu, J., Mosti, F., Zhao, H.T. et al. A human-specific enhancer fine-tunes radial glia potency and corticogenesis. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09002-1

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09002-1#citeas