ЭВОЛЮЦИЯ ГОМИНИД
Случайная мутация в гене TKTL1 могла сыграть ключевую роль в появлении Человека Разумного...
Гоминиды - это небольшая группа (семейство) приматов, которая объединяет людей (а также их вымерших предков) и больших (высших) обезьян. Виды внутри этого семейства гоминид объединяет общий план анатомического строения, внешнее сходство и проявления высшей нервной деятельности. Кроме того, все гоминиды имеют общее эволюционное происхождение, отстоящее от нас на геохронологической шкале на два-три десятка миллионов лет назад.
Генетические особенности
Эволюционно человек разумный (хомо сапиенс) произошел от общего предка с шимпанзе и бонобо около 7-15 миллионов лет назад. А если чуть дальше по времени, то сюда можно включить такие виды высших обезьян, как горилла и орангутан. Эволюция представляет собой сложный и малопонятный процесс, который затрагивает разные уровни организации живых организмов, прежде всего, генетический. Млекопитающие, в число которых входят такие казалось бы разные виды, как человек, мышь и китообразные, имеют примерно одинаковое число генов (в том смысле, в котором это понималось на заре их открытия, т.е. 100-150 лет назад), которое по разным оценкам составляет от 21 до 24 тысяч белок-кодирующих генов.
Это число примерно одинаково у всех видов животных, входящих в эту большую группу. Если возникает вопрос, почему у таких разных животных, как человек и мышь, число генов примерно одинаковое и что тогда лежит в основе внешних различий, то ответ такой. Клетки мышей и человека в одном и том же органе, например, в печени, выполняют одни и те же функции и само анатомическое строение и физиология печени у мышей и человека примерно одинаковы. А для выполнения одних и тех же функций требуются одни и те же гены.
Вместе с тем, гомологичные органы у этих двух видов явно отличаются по размерам. А если упомянуть о мозге, то можно легко заметить и анатомические различия, в частности, наличие (человек) или отсутствие (мышь) извилин. Наличие таких извилин коры мозга резко увеличивает ее площадь, а это в свою очередь значительно усиливает вычислительный потенцииал мозга и его когнитивные функции. Наиболее общепринятая теория среди биологов придерживается той точки зрения, что увеличение площади коры и общего веса мозга (по отношению к весу тела) сыграла важную роль в появлении человека разумного, за счет появления у него такой важной характеристики как сознание. Возвращаясь к сходному числу генов у разных видов млекопитающих, заметим, что это число отвечает в большей срепени за сходство между человеком и мышью или мышью и синим китом. Тогда как различия, например, внешние, целиком определяются разной активностью одних и тех же гомологичных генов (и еще некоторыми особенностями, о которых здесь не упоминаем), например, гена TKTL1, упомянутого в названии этого текста.
Неандертальцы
Среди ближайших наших братьев, к сожалению давно вымерших, известны два вида, неандертальцы и денисовцы, чьи геномы полностью (неандертальцы) или частично (денисовцы) прочитаны. К сожалению, качество прочитки пока не слишком высокое. Однако, эти данные позволяют провести сравнение между вымершими двумя видами предковых людей и современным человеком, чтобы понять, существуют ли различия между тремя видами на генетическом уровне, имея в виду порядок следования нуклеотидов в ДНК, или же отличия определяются активностью генов.
О денисовцах известно довольно мало, больше информации существует о неандертальцах. И эта информация, касательно анатомии, образа жизни, элементов искусства и методов охоты характеризует неандертальцев скорее как высокоразвитую группу больших обезьян, чем как ранних, однако полноправных представителей людей. Ископаемые остатки скелета неандертальцев показывают наличие большого мозга, сходного или даже превышающего
мозг современного хомо сапиенса. При этом лобные доли мозга и количество извилин у неандертальцев могло быть меньше, чем у современного человека. Если это действительно так (а полная картина нам недоступна вследствие малого числа обнаруженных полных или частичных скелетов неандертальцев), то это могло бы в какой-то степени объяснить низкое развитие неандертальской культуры (если таковая вообще существовала), прежде всего полное или почти полное отсутствие изобразительного искусства, а также (гипотетически) развитой речевой коммуникации.
Различие в гене TKTL1
Анализ генетической информации показал существование ряда 1-нуклеотидных мутаций, которые отличают нас и наших вымерших предков. Если есть вопрос, почему здесь упомянуты именно 1-нуклеотидные замены, а не 2- или 3-нуклеотидные (и т.д.), то ответ простой. ДНК хромосом представляет собой линейную последовательность нуклеотидов, число которых может достигать сотен миллионов. Примерно 1% всех этих нуклеотидов кодируют белки (цепочки из аминокислот) по схеме, предложенной около 70 лет назад назад Георгием Гамовым, т.е. 3 нуклеотида кодируют 1 аминокислоту. Случайные мутации, возникающие под действием, например, радиации или химических веществ, как раз и затрагивают 1 нуклеотид, так как одновременная случайная мутация двух рядом расположенных нуклеотидов крайне маловероятна. Примерно в 40% случаев замена одного нуклеотида приводит к замене аминокислоты в молекуле белка, который кодируется этим геном.
В числе этих генов, которые различались между нами и нашими предками был ген TKTL1 (transketolase-like 1, или транскетолаза-подобный ген-1). Анализ генетических данных показал, что все современные представители хомо сапиенсов (т.е. люди) имеют в положении 317 (длинный вариант белка TKTL1) аминокислоту аргинин, тогда как все большие и малые обезьяны и оба упомянутых предковых вида гоминид неандертальцы и денисовцы, несли и несут в этом положении 317 аминокислоту лизин. Все, кто изучал биохимию, знают, что эти две аминокислоты, лизин и аргинин, очень сходны. Казалось бы, свойства белка TKTL1, состоящего из более чем 500 аминокислот, не должны сильно измениться, когда в результате мутации замене подверглась всего лишь одна единица из пятисот. Однако биохимический анализ далее показал, что результатом такой мутации является изменение в синтезе жирных кислот, так как TKTL1 участвует в качестве фермента на одном из этапов углеводного обмена, т.е. гликолиза.
Изменения в коре головного мозга
В предыдущем параграфе кратко упомянута роль TKTL1 в биохимических реакциях, так как биохимия здесь напрямую влияет на рост нейронов.
Мозг это сложным образом организованная агломерация нейронов, которые связаны между собой посредством так называемых синапсов. Тела нейронов в головном мозге расположены в основном в наружной зоне, составляя таким образом кору мозга, тогда как их отростки ориентированы снаружи внутрь. Общее правило таково, что увеличение количества нейронов прямо отражается на вычислительных способностях мозга и его когнитивных фукнциях. А чем больше нейронов, тем больше и вес мозга. Здесь прямая зависимость. Заметим, что лучше все-таки говорить не о чистом весе мозга, а об отношении веса мозга к весу тела. Таким образом, есть очевидный предел возрастанию веса мозга, который определяется размерами черепной коробки. Для того, чтобы обойти этот предел хотя бы частично и увеличить количество нейронов без необходимости чрезмерного раздувания черепной коробки эволюционно возникли извилины (или складки). Как уже упоминалось, у мышей извилин нет и поверхность мозга гладкая, тогда как у всех приматов, включая человека, и у таких видов как хорьки, извилины есть, что отражает возросшее число нейронов в их головном мозге и их более сложное социальное поведение и структуру их сообществ.
TKTL1 влияет на зарождение и формирование нейронов
Авторы опубликованной работы попытались узнать, могут ли те две минимально различные формы TKTL1 гена, одна из которых ("мутантная") присутствует у всех современных людей, а другая - у наших вымерших предков и современных обезьян, повлиять на развитие и рост нейронов у мышей и человека. Было известно, что этот ген наиболее активен в развивающемся мозге человеческих эмбрионов (в период беременности). А в мышиных эмбрионах на этой (эмбриональной) стадии он не активен. Поэтому общий подход в этой работе был такой, что человеческий ген TKTL1 вводили в развивающийся
мозг мышиных эмбрионов с помощью микрокапилляров и микроэлектродов (через стенку матки). Микроэлектроды давали разряд тока и ген (в составе небольшого фрагмента ДНК) заходил в клетки эмбрионального мозга и оставался там, выполняя функцию обычного гена. По прошествии некоторого времени эмбрионы извлекали и определяли, что происходит с генетически измененным мозгом.
Здесь необходимо краткое отступление. Нейроны, как и все остальные клетки любого организма, происходят от небольшой группы стволовых клеток. Они медленно делятся и при своем делении могут производить не только дочернюю стволовую клетку, таким образом поддерживая свою численность, но также давать начало и более зрелым клеткам, которые уже не являются стволовыми, но полустволовыми. Из этих более зрелых клеток постепенно (в несколько этапов, на протяжении которых клетки продолжают медленно делиться) формируются конечные, зрелые клетки, в данном случае нейроны.
Так вот, оказалось, что те мышиные эмбрионы, которые получили пульс человеческого гена TKTL1, имеют пониженную скорость формирования зрелых нейронов, но повышенное количество нейрональных полустволовых клеток. А эти клетки, в отличие от зрелых нейронов, продолжают делиться, что в конечном счете приводит к общему (хотя и более позднему) увеличению числа зрелых нейронов. Примерно к таким же выводам авторы пришли и при исследовании человеческих мозговых органоидов (органоиды - это выращенные искусственно недоразвитые органы, сохраняющие общие свойства "родительского" органа).
Только при выращивании органоидов человеческого мозга авторам работы необходимо было заменить действующий “человеческий” вариант гена TKTL1 в клетках на его “неандертальский” аналог, чего они добились с использованием системы генетического редактирования CRISPR-Cas9. В мозговых органоидах в норме наблюдается развитие нейронов из стволовых клеток через серию промежуточных состояний, как об этом упоминалось выше. Замена “человеческого” гена TKTL1 в клетках мозгового органоида, его “неандертализация”, снижало число полустволовых клеток и усиливало созревание нейронов.
Как было сказано ранее, такая схема развития приводит к тому, что конечное число нейронов (которые не делятся!) оказывается пониженным, по сравнению с теми мозговыми органоидами, в которых присутствовал “человеческий” вариант гена TKTL1. Интересные эксперименты были проведены также с человеческим абортивным материалом (8-14 недели после фертилизации), но на них не останавливаюсь, так как выводы примерно такие же.
Вероятности отрицать не могу, достоверности не вижу. М. Ломоносов
Мобильная версия
