От обезьяны - к человеку: как эволюционировал мозг наших предков

Рис. 1. A, B. Апикальные и базальные клетки-предшественники нейронов и глии. C. Возможные плоскости деления апикальных клеток: поперечная (фиолетовая линия) и продольная (голубая). (3)

Долгое время на эти вопросы ответа не было. К сожалению, полной картины мы не знаем и сейчас. Однако исследования последних лет уже позволяют приблизительно понять молекулярный и клеточный механизмы увеличения мозга приматов после их отделения от общего с грызунами предка. Кроме того, учёные примерно представляют, как рос мозг человека по сравнению с мозгом шимпанзе после того, как наши эволюционные линии разошлись. 

Что находится на ресничках

Для того чтобы понять эти механизмы, давайте сначала разберёмся, как происходит развитие коры головного мозга у млекопитающих. В основе этого процесса лежит нейроэпителий, выстилающий боковые желудочки – полости, наполненные спинномозговой жидкостью. Клетки нейроэпителия – стволовые клетки мозга, то есть обладающие способностью делиться предшественники нейронов и глии - вспомогательных клеток нервной ткани. Они сидят, плотно прижавшись друг к другу, опустив в полость желудочка реснички-цилии - волосковидные структуры на поверхности клеток. На цилиях находится много белков-рецепторов, которые ловят плавающие в спинномозговой жидкости факторы роста и другие важные сигнальные молекулы. Этот слой клеток-предшественников, непосредственно контактирующий с полостью желудочка, называется апикальным. А всё, что находится глубже и ближе к внешней поверхности мозга, не имеет прямого доступа к желудочку и называется базальным, или субвентрикулярным. 

Апикальная клетка может поделиться двумя способами: вдоль - когда плоскость деления перпендикулярна границе желудочка, и поперёк – когда плоскость деления параллельна желудочку. В первом случае образуются две апикальные клетки, втиснувшиеся у желудочка-«кормушки» на месте материнской клетки. Во втором случае получается одна апикальная клетка и одна базальная - то есть не имеющая прямого доступа к желудочку, которая способна размножаться и дифференцироваться в нейроны и глию в толще коры.

Чем грызуны отличаются от людей

И у мышей, и у человека работают оба сценария. В чем же разница? А разница в отношении количества получающихся базальных клеток к апикальным. У мышей количество базальных клеток относительно количества апикальных не так велико. Поэтому толщина коры, которую нейроны - потомки базальных клеток, по большей части и составляют, невелика. У приматов же, в особенности у человека, доля базальных клеток вырастает во много раз. Чем больше базальных клеток, тем толще кора и тем больше нейронов и глии образуется в ней. 

Значит, чтобы сделать из «мышиного» мозга «человеческий», нужно, прежде всего, переключить апикальные клетки на производство базальных и «научить» базальные жить независимо от факторов роста спинномозговой жидкости, к которой они больше не имеют прямого доступа.

И тут наступает самый тяжёлый момент. У нас есть мозг общего предка приматов и грызунов, и мы хотим получить большой, сложный, умный мозг человека. При этом всё, что дозволяется менять – последовательность нуклеотидов в ДНК, причём мутировать мы можем исключительно случайно. В нашем распоряжении несколько десятков миллионов лет на эволюцию. Наш геном состоит примерно из 25 тыс. генов. Эти гены путём альтернативного сплайсинга (процесса, который позволяет одному гену производить несколько мРНК и, соответственно, белков) дают около 100 тыс. транскриптов, то есть, вариантов мРНК. Белковые продукты этих транскриптов по-всякому модифицируются и синтезируют небелковые молекулы, повышая разнообразие «деталей» до миллионов. Как разобраться в этом чудовищно сложном механизме?

Какие гены за что отвечают

На помощь приходят методы молекулярной генетики, в том числе анализа целых геномов, ставшие возможными после полного секвенирования ДНК человека, мыши, шимпанзе и других животных. Полной картины мы пока не знаем, но некоторые важные этапы развития мозга удалось ассоциировать с функциями конкретных генов. 

Какими генами регулируется ориентация плоскости деления апикального нейроэпителия? Иными словами, как переключить апикальные стволовые клетки на производство базальных предшественников, наращивая тем самым толщину коры? Подсказка пришла из изучения генетики микроцефалии – заболевания нервной системы, при котором ребёнок рождается с сильно уменьшенным мозгом.

К микроцефалии приводят мутации в нескольких генах, например, в микроцефалине и ASPM. Продукты этих генов так или иначе связаны с регуляцией клеточного цикла и центросомами – внутриклеточными органеллами, откуда растут микротрубочки, по которым, как по рельсам, расходятся хромосомы при делении клетки (1,2). Детальный механизм того, как продукты генов микроцефалии меняют ориентацию микротрубочек при делении апикальных клеток, точно неизвестен, но интенсивно изучается (3).

Итак, базальная клетка отделилась от материнской апикальной. Для того чтобы в человеческом мозге их было много, им нужно продолжать делиться большее число раз, чем в мышином. Но они находятся далеко от желудочка и не могут макать в него свою цилию, ловя факторы роста, необходимые для деления. Как базальные клетки-предшественники приобретают независимость от факторов роста спинномозговой жидкости? Исследования, проведенные группами учёных под руководством Кригстайна и Олдхэма (4,5), показывают, что в базальных клетках человека экспрессируется набор генов, отличный от того, что есть в мышиных. Человеческие базальные клетки сами продуцируют тромбоцитарный фактор роста и рецепторы к нему. Авторы полагают, что это должно приводить к экспансии базальных клеток у человека и росту коры в целом.

Попытки «приматизации» мышиного мозга

Как показано в работах групп Готц и Хуттнера, кроме факторов роста и их рецепторов, базальные клетки-предшественники приматов стали производить белок-регулятор работы генов под названием Pax6, который у грызунов производится лишь в делящемся апикальном нейроэпителии (6,7). Группа Хуттнера попыталась искусственно экспрессировать Pax6 в базальных предшественниках мышей. По утверждению авторов исследования, рост и размножение базальных клеток у таких мышей были более интенсивны и напоминали таковую у приматов, а получившаяся кора мозга – более развитой, чем у контрольных мышей. Мне кажется, повышение пролиферации базальных клеток мышей с Pax6 хоть и наблюдается, но весьма небольшое: 5 - 20% в зависимости от измеряемого параметра. По крайней мере, на мой взгляд, о драматической «приматизации» мышиного мозга геном Pax6 говорить преждевременно. 

Более интересная история, чем с Pax6, получилась с геном ARHGAP11B (8). Основные исследования снова проводились группой Хуттнера в институте Макса Планка, однако на сей раз к работе подключился известный шведский биолог Сванте Паабо. 

Всё началось с того, что при сравнении геномов человека и шимпанзе учёные выяснили: у шимпанзе одна копия гена ARHGAP11, а у человека он удвоен - есть ARHGAP11А и ARHGAP11B. Причём ARHGAP11А, скорее всего, выполняет ту же функцию, что и ARHGAP11 у шимпанзе, а в ARHGAP11В произошла точечная мутация, отчего его продукт по-другому перестраивается, и белок получается с измененной последовательностью на одном из концов. Это хрестоматийный пример, когда в какой-то момент на пути от общего предка ген случайно удвоился, и «лишняя» копия стала эволюционировать своим путем, приобретя новую функцию.

В мозгу появляются извилины

Рис. 2. Предполагаемая гирификация неокортекса мыши после электропорации ARHGAP11B/GFP (зеленые клетки), согласно Хуттнеру (8). Авторы сравнивают гирифицированную после электропорации правую половину с неэлектропорированной левой. Важно: нет отрицательного контроля с электропорацией одного GFP.

Что это за новая функция – не очень понятно, но из структуры видно, что она не такая, как у предкового белка ARHGAP11. Видимо, ARHGAP11В делает что-то другое. Его экспрессировали в нейроэпителии эмбриона мыши и получили неожиданный результат: базальный слой не только стал гораздо более развитым, но в коре мыши появились складки, иначе говоря, кора головного мозга стала извилистой (Figure 2). По мнению авторов работы, это свидетельствует о том, что приобретение предками людей гена ARHGAP11В послужило причиной взрывного роста коры головного мозга. 

После внимательного изучения статьи Хуттнера и Паабо возникают вопросы методологического характера. Авторы внедрили гены ARHGAP11В и GFP (зеленый флюоресцентный белок) эмбриону мыши прямо в матке с помощью электропорации, то есть пропустив через мозг эмбриона разряд электрического тока, что позволило ДНК войти в «продырявленные» таким образом клетки. К сожалению, они не сравнили складчатость коры при электропорации смеси ARHGAP11В + GFP и просто одного GFP. Поэтому пока авторы не проведут такой контрольный эксперимент, получившиеся складки в коре можно воспринимать как артефакт электропорации – просто шрамы. 

Лучшим экспериментом с ARHGAP11В, на мой взгляд, было бы создание трансгенной мыши, экспрессирующей копию этого гена в нейроэпителии. Трансгенную мышь можно подвергнуть тестам на когнитивные способности. И если у неё появятся складки в мозгу, это будет явно не артефакт метода. Но по какой-то причине авторы такой опыт не провели.

O важности ARHGAP11B для работы человеческого мозга свидетельствуют результаты недавнего исследования группы Лю из Альбукерке (9). Авторы обнаружили аномальное количество копий этого нового гена у некоторых больных шизофренией. Как ARHGAP11B может вызывать психическое расстройство – ещё одна загадка.

После шимпанзе, но до денисовцев

Рис. 3. Верхняя панель. Количество копий SRGAP2 на хромосоме 1 у человека, шимпанзе и орангутана. Нижняя панель. Предполагаемая схема последовательных дупликаций SRGAP2 на хромосоме 1 с оценкой возраста каждой из них (9).

Судя по тому, что неандертальцы и денисовцы тоже имеют две копии ARHGAP11, удвоение произошло после разделения нашей линии и шимпанзе, но до отделения нашей ветви от неандертальско-денисовской. 

Кроме истории с ARHGAP11В, в статье Хуттена и Паабо есть ещё один интересный момент. Пожалуй, даже более важный, чем влияние ARHGAP11В на складчатость коры. Сравнив геномы мыши и человека, авторы нашли у последних 56 генов, аналогов которых нет у мыши, и которые экспрессируются в апикальных и базальных предшественниках. ARHGAP11В был один из них. Осталось изучить 55 остальных. 

Ещё одна группа учёных под руководством Ивана Айхлера исследовала удвоение другого гена, SRGAP2 (10). У шимпанзе имеется одна копия этого гена, а у современного человека, неандертальца и денисовца – целых четыре. По оценкам авторов, удвоение гена произошло трижды – один раз примерно 3,4 млн лет назад, другой - 2,4, третий – 1 млн лет назад (Figure 3). Авторы считают, что утроение SRGAP2 послужило одним из факторов увеличения размеров и эффективности работы мозга при переходе от австралопитеков к представителям рода Homo. 

Что же делают все эти новые копии SRGAP2 у человека, с чем не справлялась одна у нашего общего предка с шимпанзе? Обе копии экспрессируются в нейронах и обозначаются буквами. Судя по работам последних трёх лет, функциональное значение имеют родительский «древний» вариант SRGAP2A и новая копия SRGAP2С, появившаяся 2,4 млн лет назад (11–13). Функция SRGAP2А оказалась сходна с ARHGAP11А. А вот продукт SRGAP2С – неполная копия родительского гена, так же как и ARHGAP11B. Предполагается, что SRGAP2С подавляет работу SRGAP2A путём прямого связывания с ним. Вместе они как-то регулируют образование и созревание синапсов, миграцию нейронов и, возможно, появление извилин в головном мозге. Учёные высказали это предположение, обнаружив хромосомные перестройки SRGAP2 у пациента с синдромом Ван дер Вуда, характеризующимся, кроме всего прочего, слабоумием, неразвитостью основной части коры головного мозга и слабой выраженностью извилин.

Подведём итоги. Как мы видим, с одной стороны, понятно, с чего и как начать изучение механизмов гипертрофированности коры головного мозга у человека. С другой стороны, сделано ещё крайне мало. А из того, что сделано, часть может оказаться артефактом. Гены и их продукты – шестерёнки этого чудовищно сложного механизма – в принципе, известны хотя бы по именам. Однако понять, как это всё друг с другом взаимодействует – задача не из лёгких.
 

Константин Лесков, Ph. D., Case Western Reserve University, Cleveland, OH