Kaip žmogaus smegenys tapo daug didesnės už artimiausių mūsų evoliucinių giminaičių smegenis? Dalis atsakymo slypi ne naujuose genuose, o tame, kaip žmonės ir kitos žmogbeždžionės naudoja bendrus genus.
Naudodama iš kamieninių ląstelių išaugintus smegenų organoidus, tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama Dresdeno technikos universiteto (TUD) profesorės Mareike Albert, palygino ankstyvąjį žmonių, šimpanzių ir gorilų smegenų vystymąsi.
Mokslininkai nustatė, kad žmonių genetiniai jungikliai padidina tam tikrų genų aktyvumą, todėl smegenis formuojančios ląstelės greičiausiai tampa labiau šakotos. Ši savybė siejama su didesniu neuronų susidarymu, o tai savo ruožtu lemia didesnes smegenis.
Smegenų neokorteksas, arba naujoji smegenų žievė, yra sritis, atsakinga už aukštesniąsias pažintines funkcijas, tokias kaip abstraktus mąstymas, ilgalaikis planavimas ir kalba. Žmogaus neokorteksas yra gerokai didesnis nei kitų žmogbeždžionių. Nors tam tikri tik žmonėms būdingi genai siejami su didesnėmis smegenimis, vien jų nepakanka paaiškinti milžiniškam žmogaus neokortekso išsiplėtimui evoliucijos metu.
„Smegenų dydžio pokyčiai iš tikrųjų atsiranda vystymosi metu. Būtent tada susidaro didžioji dalis neuronų. Tačiau kitų žmogbeždžionių besivystantis smegenų audinys tyrimams neprieinamas, ir tam yra svarių etinių priežasčių.
Todėl iškėlėme klausimą: kaip vis dėlto galėtume tiesiogiai palyginti skirtingų rūšių smegenų vystymąsi?“, – aiškina Albert, Dresdeno regeneracinės terapijos centro (CRTD) ir Dresdeno technikos universiteto Biologijos fakulteto mokslinių tyrimų grupės vadovė.
Atsakymas buvo smegenų organoidai – mažytės trimatės audinių struktūros, išaugintos iš kamieninių ląstelių. Organoidai primena besivystančias smegenis, šiuo atveju – neokorteksą.
Mokslininkai išaugino organoidus iš žmonių, šimpanzių ir gorilų kamieninių ląstelių ir palygino ankstyvuosius šių rūšių smegenų vystymosi etapus. Jie nustatė aiškius skirtumus, kaip šios trys rūšys naudoja bendrus genus.
Tie patys genai, skirtingi nustatymai
Žmogaus baltymus koduojantis genomas yra 98–99 % identiškas šimpanzių ir gorilų genomui. Tačiau identiški genai nebūtinai naudojami vienodai. Komanda išanalizavo genų aktyvumą besivystančių smegenų organoidų nervinėse kamieninėse ląstelėse ir nustatė, kad daugelis genetinių jungiklių žmonėms veikia kitaip.
„Šie genetiniai jungikliai yra trumpos DNR sekos, kontroliuojančios, kiek aktyvus yra genas. Juos galima įsivaizduoti kaip savotiškus šviesos reguliatorius, kurie padidina arba sumažina genų aktyvumą. Aptikome beveik 600 jungiklių, kurie žmogaus nervinėse kamieninėse ląstelėse yra aktyvesni nei šimpanzių ir gorilų“, – sako dr. Schütze, vadovavęs eksperimentinei tyrimo daliai.
Daugelis šių jungiklių reguliavo genus, kurie, kaip žinoma, formuoja ląstelės struktūrą, ypač padeda jai išauginti ilgas, šakotas ataugas. Kai mokslininkai žmogaus organoiduose išjungė du iš šių genų, kamieninės ląstelės tapo mažiau šakotos, o vienu atveju iš jų susidarė mažiau neuronų.
Tai atitinka ankstesnių tyrimų rezultatus, leidžiančius manyti, kad labiau šakotos kamieninės ląstelės gauna daugiau signalų iš aplinkos, dažniau dalijasi ir pagamina daugiau neuronų, o tai savo ruožtu lemia didesnes smegenis.
„Žmogaus smegenų išskirtinumą nebūtinai lemia kitokie genai. Kaip rodo beveik identiški genomai, mes iš esmės naudojame tą patį įrankių rinkinį kaip ir žmogbeždžionės, tik su skirtingais nustatymais“, – sako Albert.
Naujas žvilgsnis į ankstyvąjį vystymąsi
Žmogbeždžionėms gresia išnykimas, todėl jos yra griežtai saugomos. Dėl šios priežasties mūsų artimiausių gyvų giminaičių smegenų vystymasis iki šiol iš esmės buvo neprieinamas moksliniams tyrimams.
„Organoidai suteikia mums galimybę pažvelgti į vystymosi etapą, kurio kitu atveju apskritai negalėtume tyrinėti“, – sako Albert. „Klausimas, kas mus daro žmonėmis, yra nepaprastai įdomus. Naudodami organoidus pagaliau galime pradėti ieškoti atsakymų į kai kurias šio klausimo dalis atskirų ląstelių ir genų lygmeniu.“
