SAN FRANCISCO, Kalifornia — 13 stycznia 2023 r. — DNA człowieka i szympansa różni się tylko jednym procentem. Ludzkie regiony przyspieszone (HAR) to części genomu z nieoczekiwaną ilością tych różnic. HAR były stabilne u ssaków przez tysiąclecia, ale szybko zmieniły się u wczesnych ludzi. Naukowcy od dawna zastanawiali się, dlaczego te fragmenty DNA tak bardzo się zmieniły i jak różnice odróżniają ludzi od innych naczelnych.

Teraz naukowcy z Gladstone Institutes przeanalizowali tysiące HAR ludzi i szympansów i odkryli, że wiele zmian, które nagromadziły się podczas ewolucji człowieka, miało przeciwstawne skutki.

„Pomaga to odpowiedzieć na odwieczne pytanie, dlaczego HAR ewoluowały tak szybko po zamrożeniu przez miliony lat”, mówi dr Katie Pollard, dyrektor Gladstone Institute of Data Science and Biotechnology i główna autorka nowego badania opublikowanego dzisiaj w Neuron. „Początkowa odmiana HAR mogła za bardzo zwiększyć jego aktywność, a następnie trzeba było ją odrzucić”.

Odkrycia, jak mówi, mają wpływ na zrozumienie ewolucji człowieka. Ponadto – ponieważ ona i jej zespół odkryli, że wiele HAR odgrywa rolę w rozwoju mózgu – badanie sugeruje, że różnice w ludzkich HAR mogą predysponować ludzi do chorób psychicznych.

„Wyniki te wymagały najnowocześniejszych narzędzi do uczenia maszynowego, aby zintegrować dziesiątki nowatorskich zestawów danych wygenerowanych przez nasz zespół, zapewniając nowy obiektyw do badania ewolucji wariantów HAR” — mówi dr Sean Whalen, pierwszy autor badania i starszy pracownik naukowy w laboratorium Pollarda.

Włączone przez uczenie maszynowe

Pollard odkrył HAR w 2006 roku, porównując genomy człowieka i szympansa. Chociaż te odcinki DNA są prawie identyczne u wszystkich ludzi, różnią się między ludźmi i innymi ssakami. Laboratorium Pollarda wykazało, że zdecydowana większość HAR to nie geny, ale wzmacniacze – regiony regulatorowe genomu, które kontrolują aktywność genów.

Niedawno grupa Pollarda chciała zbadać, w jaki sposób ludzkie HAR różnią się od HAR szympansów pod względem ich funkcji wzmacniającej. W przeszłości wymagałoby to testowania HAR pojedynczo na myszach, przy użyciu systemu, który barwi tkanki, gdy HAR jest aktywny.

Zamiast tego Whalen wprowadził setki znanych wzmacniaczy ludzkiego mózgu i setki innych sekwencji niewzmacniających do programu komputerowego, aby mógł zidentyfikować wzorce, które przewidywały, czy dany odcinek DNA jest wzmacniaczem. Następnie wykorzystał ten model do przewidzenia, że ​​jedna trzecia HAR kontroluje rozwój mózgu.

„Zasadniczo komputer był w stanie nauczyć się sygnatur wzmacniaczy mózgu” – mówi Whalen.

Wiedząc, że każdy HAR ma wiele różnic między ludźmi a szympansami, Pollard i jej zespół kwestionowali, w jaki sposób poszczególne warianty w HAR wpłynęły na siłę jego wzmacniacza. Na przykład, jeśli osiem nukleotydów DNA różniło się między szympansem a ludzkim HAR, czy wszystkie osiem miało ten sam efekt, wzmacniając lub osłabiając wzmacniacz?

„Długo zastanawialiśmy się, czy wszystkie warianty w HAR są wymagane, aby inaczej funkcjonowały u ludzi, czy też niektóre zmiany były po prostu autostopem na przejażdżkę z ważniejszymi” – mówi Pollard, który jest także szefem dział bioinformatyki w Departamencie Epidemiologii i Biostatystyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco (UCSF), a także badacz Chan Zuckerberg Biohub.

Aby to przetestować, Whalen zastosował drugi model uczenia maszynowego, który pierwotnie miał na celu określenie, czy różnice w DNA poszczególnych osób wpływają na aktywność wzmacniacza. Komputer przewidział, że 43 procent HAR zawiera dwa lub więcej wariantów z dużymi przeciwstawnymi efektami: niektóre warianty w danym HAR sprawiły, że był to silniejszy wzmacniacz, podczas gdy inne zmiany sprawiły, że HAR był słabszym wzmacniaczem.

Ten wynik zaskoczył zespół, który spodziewał się, że wszystkie zmiany popchną wzmacniacz w tym samym kierunku lub że niektóre „autostopowiczki” nie będą miały żadnego wpływu na wzmacniacz.

Pomiar siły HAR

Aby zweryfikować tę przekonującą prognozę, Pollard współpracował z laboratoriami dr Nadava Ahituva i dr Alexa Pollena z UCSF. Naukowcy połączyli każdy HAR z małym kodem kreskowym DNA. Za każdym razem, gdy HAR był aktywny, wzmacniając ekspresję genu, kod kreskowy był przepisywany na fragment RNA. Następnie naukowcy wykorzystali technologię sekwencjonowania RNA, aby przeanalizować, ile tego kodu kreskowego było obecne w dowolnej komórce – wskazując, jak aktywny był HAR w tej komórce.

„Ta metoda jest znacznie bardziej ilościowa, ponieważ mamy dokładne liczby kodów kreskowych zamiast obrazów mikroskopowych” — mówi Ahituv. „To także znacznie wyższa przepustowość; możemy spojrzeć na setki HAR w jednym eksperymencie”.

Kiedy grupa przeprowadziła eksperymenty laboratoryjne na ponad 700 HAR w prekursorach ludzkich i szympansich komórek mózgowych, dane naśladowały przewidywania algorytmów uczenia maszynowego.

„Moglibyśmy w ogóle nie odkryć ludzkich wariantów HAR z przeciwstawnymi efektami, gdyby model uczenia maszynowego nie wygenerował tych zaskakujących prognoz” – powiedział Pollard.

Implikacje dla zrozumienia choroby psychicznej

Pomysł, że warianty HAR rozgrywają przeciąganie liny o poziomy wzmacniaczy, dobrze pasuje do teorii, która została już zaproponowana na temat ewolucji człowieka: że zaawansowana funkcja poznawcza w naszym gatunku jest również przyczyną chorób psychicznych.

„To, na co wskazuje ten rodzaj wzorca, to coś, co nazywa się ewolucją kompensacyjną” – mówi Pollard. „W wzmacniaczu dokonano dużej zmiany, ale być może było to zbyt wiele i doprowadziło do szkodliwych skutków ubocznych, więc zmiana została z czasem zmniejszona — dlatego obserwujemy przeciwstawne efekty”.

Jeśli początkowe zmiany w HAR doprowadziły do ​​​​zwiększenia zdolności poznawczych, być może późniejsze zmiany kompensacyjne pomogły z powrotem obniżyć ryzyko chorób psychicznych, spekuluje Pollard. Dodaje, że jej dane nie mogą bezpośrednio potwierdzić ani obalić tego pomysłu. Jednak w przyszłości lepsze zrozumienie, w jaki sposób HAR przyczyniają się do chorób psychicznych, może nie tylko rzucić światło na ewolucję, ale także na nowe metody leczenia tych chorób.

„Nigdy nie możemy cofnąć zegara i dokładnie wiedzieć, co wydarzyło się w trakcie ewolucji” — mówi Pollard. „Ale możemy użyć wszystkich tych technik naukowych, aby symulować, co mogło się wydarzyć, i zidentyfikować, które zmiany DNA najprawdopodobniej wyjaśnią unikalne aspekty ludzkiego mózgu, w tym jego skłonność do chorób psychicznych”.

###

O badaniu

W czasopiśmie opublikowano artykuł pt. Neuron 13 stycznia 2023 r.

Inni autorzy to Kathleen Keough, Alex Williams, doktor Abu Hassan Samee i Sean Thomas z Gladstone; Fumitaka Inoue, Hane Ryu, Tyler Fair, Eirene Markenscoff-Papadimitrious, Beatriz Alvarado, Orry Elor, Dianne Laboy Cintron, Erik Ullian, Arnold Kriegstein i John Rubenstein z UC San Francisco; Martin Kircher, Beth Martin i Jay Shendure z University of Washington; i Robert Krencik z Houston Methodist Research Institute.

Prace były wspierane przez Schmidt Futures Foundation i National Institutes of Health (DP2MH122400-01, R35NS097305, FHG011569A, R01MH109907, U01MH116438, UM1HG009408, UM1HG011966, 2R01NS099099).

O Instytutach Gladstone

Aby nasza praca przynosiła największe korzyści, Gladstone Institutes koncentruje się na schorzeniach o głębokim wpływie medycznym, ekonomicznym i społecznym — na nierozwiązanych chorobach. Gladstone to niezależna organizacja non-profit zajmująca się badaniami nauk przyrodniczych, która wykorzystuje wizjonerską naukę i technologię do przezwyciężania chorób. Ma powiązania akademickie z University of California w San Francisco.