Experiment ca să înțelegem evoluția: ce se întâmplă când înlocuiești o genă umană cu una neanderthaliană

Cercetătorii încearcă să stabilească dacă diferențele noastre se datorează geneticii. Care sunt diferențele cheie dintre oamenii moderni și rudele noastre cele mai apropiate, neanderthalienii și denisovanii și cum schimbi o genă umană cu una neanderthaliană sunt întrebări la care știința a răspuns.

Pentru neandertalieni, nu pare să existe niciun fel de diferență evidentă. Au folosit instrumente sofisticate, au făcut artă și s-au stabilit în niște medii foarte dure. Dar, din câte ne putem da seama, populația lor globală nu a fost niciodată deosebit de mare. Când oamenii moderni au ajuns în Eurasia, numărul nostru a crescut, ne-am răspândit și mai mult, iar neanderthalienii și denisovenienii au ajuns strămutați și, în cele din urmă, dispăruți.

Având capacitatea de a obține ADN antic, am aruncat o privire asupra genomului atât al neanderthalienilor, cât și al denisovenienilor, ceea ce ne permite să punem o întrebare mai specifică: unele dintre diferențele noastre se pot datora geneticii?

Ce se întâmplă când schimbi o genă umană cu una neanderthaliană?

Cele trei specii sunt rude apropiate, deci numărul diferențelor în proteinele noastre este relativ mic. Dar o mare echipă internațională de cercetare a identificat una și a conceput-o înapoi în celule stem obținute de la oameni moderni. Și cercetătorii au descoperit că țesutul neuronal format din aceste celule are diferențe notabile față de același țesut crescut cu versiunea umană modernă a acestei gene.

Ca prim pas în munca lor, potrivit studiului, cercetătorii au trebuit să decidă asupra unei gene pe care să o vizeze. După cum am menționat mai sus, genomul tuturor celor trei specii este extrem de similar. Și similitudinea crește doar atunci când privești acele părți ale genomului care codifică proteinele.

O complicație suplimentară este că unele dintre versiunile genelor găsite în neanderthalieni se găsesc încă într-o fracțiune din populația umană modernă. Ceea ce au vrut cercetătorii este să găsească o genă în care atât neanderthalienii, cât și denisovenii aveau o versiune și aproape toți oamenii moderni aveau o alta.

Din zeci de mii de gene, au găsit doar 61 care au trecut acest test. Cea pe care au ales să se concentreze s-a numit NOVA1. În ciuda numelui cu sunet exploziv, NOVA1 a fost denumită pur și simplu după ce a fost inițial asociată cu cancerul: antigenul ventral neuro-oncologic 1. O privire prin arborele genealogic al vertebratelor arată că neanderthalienii și denisovenii împărtășesc o versiune a NOVA1 cu orice, de la alte primate la găini, ceea ce înseamnă că era prezent în strămoșul pe care mamiferele îl împărtășeau cu dinozaurii.

Ce este această genă, NOVA1, și cum a fost exploatată de știință

Cu toate acestea, aproape toți oamenii au o versiune diferită a genei (în căutarea unui sfert de milion de genomi într-o bază de date, cercetătorii au reușit să identifice doar trei cazuri ale versiunii neandertale). Diferența este subtilă – schimbând un aminoacid înrudit într-o singură locație din genă – dar este o diferență.

Dar NOVA1 este genul de genă în care modificările mici pot avea un impact mare. ARN-urile care sunt folosite pentru fabricarea proteinelor sunt inițial compuse dintr-un amestec de părți utile separate care trebuie să fie îmbinate. Pentru unele gene, diferitele părți pot fi îmbinate împreună în mai multe moduri, permițând formarea de forme distincte ale unei proteine ​​din același ARN de pornire. NOVA1 reglează procesul de îmbinare și poate determina ce formă de gene multiple se produce în celulele unde este activă. Pentru NOVA1, celulele în care este activă includ multe părți ale sistemului nervos.

Pentru a fi mai clar, versiunea scurtă este următoarea: NOVA1 poate schimba tipurile de proteine ​​produse în celulele nervoase. Și, din moment ce comportamentul este un domeniu în care oamenii moderni ar fi putut fi diferiți de neandertalieni, este o țintă interesantă a acestor tipuri de studii.

Evident, există probleme etice în încercarea de a vedea ce ar face versiunea neanderthală la oamenii reali. Dar unele tehnologii dezvoltate în ultimul deceniu ne permit să abordăm problema într-un mod foarte diferit. În primul rând, cercetătorii au reușit să preia celule de la două persoane diferite și să le transforme în celule stem, capabile să se dezvolte în orice celulă din corp. Apoi au folosit tehnologia de editare a genei Crispr pentru a converti versiunea umană a genei în versiunea Neanderthal.

Ce diferențe sunt între noi și oamenii preistorici?

După efectuarea unor verificări ample care au indicat faptul că NOVA1 a fost singura genă modificată de editare, cercetătorii au indus celulele stem să formeze neuronii tipici ai cortexului creierului.

Clusterele de celule neuronale care au rezultat au fost mai mici atunci când au fost formate din celule cu versiunea neandertaliană a NOVA1, deși aceste grupuri aveau o formă de suprafață mai complexă. Celulele cu versiunea Neanderthal au crescut, de asemenea, mai încet și au avut tendința de a suferi un proces care se termină cu moartea celulară mai des. Deci, a fost clar că versiunea neanderthaliană a modificat comportamentul celulelor stem, deoarece acestea au fost transformate în celule nervoase.

Diferențele au fost evidente și la nivel genetic. Echipa de cercetare a căutat orice gene care au modificat activitatea (măsurată prin nivelurile de ARN mesager) în celulele cu Neanderthal NOVA1. Au fost destul de mulți dintre ei și au inclus niște regulatori cheie ai dezvoltării neuronale. Și, așa cum era de așteptat de la un regulator de îmbinare, au existat sute de gene care au văzut modificări ale modului în care ARN-urile lor care codifică proteinele au fost puse împreună.

Multe dintre aceste gene par a fi implicate în formarea și activitatea sinapselor, conexiunile individuale dintre celulele nervoase care le permit să comunice între ele. Nu este surprinzător faptul că acest lucru a modificat comportamentul acestor conexiuni. În mod normal, celulele nervoase formează conexiuni și își coordonează activitatea. În celulele cu versiunea Neanderthal a NOVA1, a existat mai puțină coordonare și un fundal mai mare de celule nervoase care declanșează semnale la întâmplare.

Ce rol au modificările genetice în creierul nostru

Rezultatele arată clar că a avea versiunea Neanderthal a NOVA1 nu este un lucru bun pentru celulele nervoase ale oamenilor moderni. Cu toate acestea, va fi nevoie de ceva mai mult pentru a stabili dacă toate modificările descrise aici sunt produsul diferențelor specifice dintre cele două forme ale proteinei sau, pur și simplu, o consecință a faptului că celulele nervoase sunt nesănătoase din cauza nereglementării genelor.

Dar cercetătorii avertizează, de asemenea, împotriva suprainterpretării rezultatelor în general – deși sugestive, aceste rezultate nu sunt o indicație clară că modificările genetice fac creierul nostru diferit fundamental de cel al rudelor noastre cele mai apropiate.

Evoluția versiunii umane a acestei gene a avut loc pe fundalul multor alte modificări subtile ale genelor umane, fie în secvențele lor de codificare, fie mai des în secvențele care le reglementează activitatea. Aceste modificări ar putea compensa eventualele efecte dăunătoare cauzate de diferențele de activitate ale versiunii umane moderne a NOVA1. Abandonarea bruscă a versiunii originale a genei ar putea produce din nou diferențe doar din cauza nepotrivirii dintre genă și toate aceste compensații.

Deci, va dura ceva timp pentru a stabili cât de mult înseamnă diferențele acestei gene pentru creierul uman și cel din Neanderthal. Dar principalul lucru este că acum este posibil să punem aceste întrebări. Tehnologiile folosite pentru a produce aceste rezultate nu existau înainte de acest secol – editarea genei Crispr are o vechime mai mică de un deceniu. Așadar, simplul fapt că știm atât de mult este destul de uimitor.