Ученые выяснили, почему человеческий мозг больше обезьяньего

Человек превосходит шимпанзе и других обезьян по размеру мозга и количеству нейронов из-за различий в характере работы гена ZEB2 и других участков ДНК, которые управляют трансформациями стволовых клеток нервной системы. К такому выводу пришли британские биологи, статью которых опубликовал научный журнал Cell.

Геномы человека и шимпанзе совпадают на 99%, однако их нервные системы развиваются совершенно по-разному и в старости страдают от разных проблем. В частности, мозг человека заметно крупнее: в нем примерно в три раза больше нейронов, чем у высших приматов, несмотря на почти идентичное устройство генов, которые управляют его ростом.

Мозг всех видов млекопитающих формируется в несколько стадий. В каждой из них участвуют разные типы стволовых клеток, которые постепенно превращаются в следующий тип "заготовок" для нейронов. У этих стволовых клеток разные форма, свойства, также они заметно отличаются друг от друга по уровню активности генов.

Трансформацию этих генов исследователи детально изучили в опытах на зародышах мышей и других лабораторных животных. Однако ученые почти ничего не знали о том, как именно этот процесс протекает внутри эмбрионов людей и высших приматов.

В новой работе Мадлен Ланкастер из Кембриджского университета и ее коллеги получили ответ на этот вопрос. В ходе исследования они заставили стволовые клетки совершать эти превращения в питательной среде, которая имитирует условия внутри зародыша. В результате они получили миниатюрное подобие мозга.

Наблюдая за этим процессом, ученые обнаружили, что обезьяньи и человеческие "заготовки" нейронов превращались заметно медленнее, чем мышиные и крысиные. Благодаря этому они могли дольше размножаться и формировать заметно больше нейронов. В среднем в зародыше грызунов эта трансформация происходит меньше чем за сутки, у шимпанзе и горилл – около пяти дней, у человека – около семи дней.

Сравнив активность генов в “заготовках” нейронов приматов и людей на разных стадиях роста, Ланкастер и ее коллеги выяснили, что различия во времени их трансформации в другие типы клеток были связаны с расхождениями в характере активности гена ZEB2 и связанных с ним участков ДНК. Этот ген играет важную роль в превращениях одних типов стволовых клеток в другие, а также в других процессах, которые связаны с формированием нервной системы.

Оказалось, что в клетках шимпанзе и горилл он активируется раньше, чем в заготовках нейронов человека. Биологи проверили, что произойдет, если искусственно замедлить его включение в клетках горилл или принудительно включить его в заготовках нейронов человека.

После этого миниатюрный аналог мозга горилл заметно увеличился в размерах, а принудительная активация ZEB2 в стволовых клетках человека привела к обратному результату. Это, как заключают ученые, говорит в пользу того, что изменения в характере активности гена ZEB2 и связанных с ним участков ДНК были одним из ключевых эволюционных шагов в увеличении размеров мозга Homo sapiens.