Мозг современного человека обогнал мозг неандертальца по количеству нейронов благодаря всего одной мутации

Мутация, которая отличает белок TKTL1 у современного человека и неандертальца, действительно увеличивает количество клеток-предшественниц нейронов и стимулирует их развитие в нервные клетки, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Science. Такой эффект мутации удалось показать на мозге эмбрионов мышей, а также на искусственно выращенных мини-мозгах человека. Исследователи предполагают, что он связан со стимуляцией синтеза жирных кислот, которые клетки-предшественницы используют для образования отростков.

Считается, что появление разума и улучшение когнитивных способностей в процессе эволюции основано на развитии неокортекса — основной части коры полушарий человека. У зародышей эта ткань развивается из клеток-нейропредшественников. Среди них есть те, что производят транскетолазоподобный белок 1 — или TKTL1. К таким, например, относятся клетки базальной радиальной глии — из-за эффективности деления их считают главным источником нейронов неокортекса.

Сам по себе белок TKTL1 довольно зауряден — это один из многих ферментов, участвующих в метаболизме глюкозы в клетках. Интереснее всего то, что последовательности этого белка у современного человека и неандертальца практически идентичны, их отличает лишь одна аминокислотная замена — лизина на аргинин. Вкупе с тем, что белок работает в клетках-предшественниках неокортекса, этот факт позволяет предположить ключевую роль белка в эволюции современного человека.

Немецкие исследователи из Института Макса Планка под руководством Аннелин Пинсон проверили эту гипотезу при помощи экспериментов. Прежде всего, аминокислотную замену было решено исследовать на мышах. У этих животных в клетках неокортекса в норме не работает ген TKTL1, поэтому ученые добавили каждый из его исследуемых вариантов — неандертальский и современного человека — в эмбрионы разных мышей искусственно. Через пару дней биологи посчитали количество нейропредшественников в неокортексе эмбрионов.

Оказалось, ген повлиял только на один тип клеток — базальную радиальную глию, которую считают главной предшественницей клеток коры полушарий. Количество этих клеток после введения человеческого варианта оказалось гораздо выше, чем после введения варианта неандертальцев (p < 0,001). Кроме того, мутация повысила эффективность развития риадиальной глии в нейроны.

К сожалению, этичного способа провести аналогичные эксперименты с человеком не существует, но биологи нашли другой путь — они проверили свою гипотезу на мини-мозгах. Чтобы получить эти органоиды, исследователи использовали эмбриональные стволовые клетки человека. В них они отредактировали человеческий TKTL1 в неандертальский — обратно заменили аргинин на лизин. После культивации стволовые клетки развивались в церебральные органоиды — структуры, напоминающие мозг в миниатюре. В «неандертальских» органоидах действительно наблюдалось снижение количества как клеток радиальной глии в субвентрикулярной зоне, так и самих нейронов (p < 0,0001).

Кроме того, биологи попытались разобраться в метаболическом механизме, по которому новый вариант белка влияет на количество нейропредшественников. Для этого они проверили, как подавление пентозофосфатного пути (цикла окисления глюкозы) и пути синтеза жирных кислот влияет на эффект мутации. Оказалось, оба пути необходимы, чтобы мутация увеличивала количество клеток радиальной глии. Авторы предполагают, что мутация провоцирует синтез мембранных липидов с одним из типов жирных кислот, что помогает образованию отростков у этих клеток, и, следовательно, увеличивает их количество.

Чтобы исследовать процесс эволюционного перехода к современному человеку, биологи продолжают изучать геномы архаичных людей по их останкам. Недавно, например, впервые просеквенировали геном неандертальца в России. Древнюю ДНК удалось достать из молочного зуба девочки пяти-шести лет, который нашли в Мезмайской пещере.

Анна Муравьева