AMHERST, Massachusetts – Interdyscyplinarny zespół badaczy kierowany przez biologów z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst opublikował niedawno wyniki pierwszego w swoim rodzaju badania sprawdzającego powiązania między ekspresją genów a ewolucją mózgu u 18 gatunków naczelnych. Zespół zebrał próbki tkanki mózgowej pochodzącej z ogrodów zoologicznych, w których zwierzęta padły w sposób naturalny, a także od osób, które oddały swoje ciała nauce, a następnie zsekwencjonowano transkrypty RNA z każdej próbki, aby wygenerować mapę każdego z 17 000 genów ulegających ekspresji w mózgu każdego naczelnego. Następnie zespół porównał w pełni zsekwencjonowane transkryptomy RNA każdego gatunku, aby lepiej zrozumieć powiązania między genomiką a ewolucją i być może zapewnić wgląd w niuanse aktywności mózgu, a także choroby neurodegeneracyjne.

„Badamy ewolucję mózgu naczelnych” – mówi Katie Rickelton, główna autorka artykułu opublikowanego w eLife i doktorantka w dziedzinie biologii molekularnej i komórkowej na UMass Amherst. „Naczelne, a zwłaszcza ludzi, definiuje się na podstawie bardzo dużych mózgów w porównaniu z rozmiarem ich ciała, a jednak ludzie, szympansy i lemury są bardzo różne, mimo że mają podobne sekwencje DNA. Uważamy, że różnicę tę można częściowo wyjaśnić tym, które geny wyrażają się na wyższym lub niższym poziomie.”

Inni badacze zsekwencjonowali RNA w mózgach naczelnych, ale w znacznie bardziej ograniczonym zakresie. „Jeśli mamy dowiedzieć się, co czyni człowieka wyjątkowym wśród naczelnych” – mówi starsza autorka Courtney Babbitt, profesor biologii na UMass Amherst, „będziemy musieli zbadać szerszą grupę naczelnych, a nikt nie przyglądał się przy tak dużej próbie wcześniej.”

Aby przeprowadzić badania, Rickelton, Babbitt i ich współpracownicy współpracowali z Narodowym Instytutem Zdrowia Dziecka i Rozwoju Człowieka, Bankiem Mózgu i Tkanek ds. Zaburzeń Rozwojowych na Uniwersytecie Maryland, National Chimpanzee Brain Resource i prawie tuzinem innych instytucji, które są powszechnie szanowani za etyczne pozyskiwanie tkanki mózgowej. Zespół pobrał próbki z czterech różnych obszarów mózgu – w tym kory przedczołowej, pierwotnej kory wzrokowej, hipokampa i móżdżku – u każdego z 18 badanych gatunków i wykorzystał rdzeń genomiczny w Instytucie Nauk Przyrodniczych UMass Amherst do przeprowadzenia sekwencjonowania RNA .

RNA jest etapem pośrednim pomiędzy DNA – głównym planem każdego gatunku – a białkami, które faktycznie budują indywidualne ciało. Liczba i rodzaj białek, które można wytworzyć, zależy od ilości RNA, które jest mapowane za pomocą transkryptomów wygenerowanych przez Rickeltona, Babbitta i ich współpracowników. I jest to ogromne zadanie.

„Zsekwencjonowaliśmy każdy z 17 000 genów ulegających ekspresji w każdym z czterech regionów 18 gatunków” – mówi Babbitt. „Udało nam się także pobrać próbki w bardzo wysokiej rozdzielczości” – dodaje Rickelton. „To najlepsza seria transkryptomów, jaką mamy dla mózgów tych 18 gatunków”.

Zespół szukał różnic związanych z wieloma funkcjami mózgu związanymi zarówno z poznaniem, jak i metabolizmem, ponieważ duże i złożone mózgi, które my, ludzie, dzielimy z naszymi krewnymi naczelnych, wymagają dużo energii. Odkryli niezwykły stopień zróżnicowania w obrębie gatunku, od człowieka po loris karłowaty.

Na przykład ludzie i szympansy wykazują niezwykły poziom zmienności w porównaniu z pozostałymi 16 gatunkami, mimo że ludzie i szympansy oddzielili się od pozostałych małp człekokształtnych stosunkowo niedawno, pozostawiając niewiele czasu na działanie doboru naturalnego. I choć istnieją różnice w czterech obszarach mózgu, które pobrał zespół, większość z nich wydaje się być wyjaśniona przede wszystkim ewolucją gatunku. Wyjątkiem, jak podkreśla Rickelton, jest móżdżek. „To ewolucyjnie najstarsza część mózgu” – mówi Rickelton – „dlatego też miała najwięcej czasu na ewolucję na różne sposoby u każdego gatunku”.

Wreszcie odkrycia zespołu pozwalają zidentyfikować konkretne geny do dalszych badań, które mogą pomóc w wyjaśnieniu ewolucji mózgów poszczególnych naczelnych. Geny te mogą pomóc w lepszym zrozumieniu niuansów aktywności mózgu w każdym z czterech regionów, a także zapewnić wgląd w różne ludzkie zaburzenia neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera.

„To jeden z największych paradoksów ewolucyjnych: ludzie i szympansy mają prawie te same geny, a mimo to tak bardzo się od siebie różnimy” – mówi Babbitt. „Aby dowiedzieć się, co czyni nas ludźmi, będziemy musieli przyjrzeć się ekspresji genetycznej szerokiego spektrum naszych ewolucyjnych kuzynów i właśnie od tego zaczęliśmy w ramach tego badania”.

Badania te były wspierane przez amerykańską Narodową Fundację Nauki, Fundację Wennera Grena, Fundację Jamesa S. McDonnella i Narodowe Instytuty Zdrowia.