211service.com
Genen som gör oss till människor?
En liten del av DNA som snabbt har utvecklats hos människor kan spela en nyckelroll i utvecklingen och utvecklingen av den mänskliga hjärnan, enligt forskning som publicerades online i går i tidskriften Natur . Även om forskare ännu inte vet exakt hur genen fungerar i hjärnan, vet de att sekvensen är helt unik för människor och uttrycks i cortex - som är ansvarig för komplexa tankar - under ett nyckelstadium av hjärnans utveckling.
Det här är ett mycket spännande fynd, säger Bruce Lahn , en genetiker som studerar hjärnans evolution vid University of Chicago. Det tar oss ett steg närmare det övergripande målet att förstå människans hjärnans utveckling på genernivå.
Någon gång under de senaste fem till sju miljoner åren, när människor och schimpanser splittrades från varandra på det evolutionära trädet, blev våra hjärnor tre gånger större än de hos våra närmaste primatsläktingar. Den imponerande tillväxten berodde till stor del på expansion i hjärnbarken, det yttre lagret av hjärnan som ansvarar för resonemang och andra typer av komplexa tankar. Sedan sekvenserna av människans och andra djurs genom har blivit tillgängliga för studier, har forskare letat igenom mängder av DNA efter genetiska ledtrådar till vår hjärnas unika tillväxtspurt - och till de biologiska förändringar som gör oss unika människor.
I den nya artikeln jämförde forskare vid University of California, Santa Cruz det mänskliga genomet med genomen från schimpanser, hundar, råttor, möss och kycklingar, och letade efter genetiska sekvenser som var mycket konserverade under evolutionen och därför funktionellt viktiga. De letade sedan efter sekvenser inom de bevarade områdena som hade förändrats snabbt hos människor, vilket indikerar att dessa förändringar var viktiga för människans unika evolution.
Forskarna identifierade flera snabbt utvecklande bitar av DNA, men den överlägset snabbaste biten var en liten kedja av DNA som är en del av en gen som uttrycks i hippocampus, som är involverad i inlärning och minne. Enligt fynden var sekvensen mycket lik hos kycklingar och schimpanser, med endast två förändringar av den genetiska koden; men det hade förändrats anmärkningsvärt i mänskligt DNA, och visade 18 genetiska skillnader från versionen hos schimpanser.
Det bekräftade verkligen att denna [sekvens] är specifik för den mänskliga härstamningen, säger David Haussler , en genomikexpert vid UCSC som ledde arbetet. Vi sekvenserade också mänskligt DNA från olika människor runt om i världen – alla verkar ha samma 18 varianter.
Forskarna upptäckte då att genen, känd som HAR1F, har några ännu mer lockande egenskaper: det uttrycks i en viss uppsättning celler i den mänskliga hjärnan mellan 9 och 19 veckors graviditet – när cortex genomgår en snabb utvecklingsperiod. Det är i huvudsak den inledande fasen av utvecklingen av cortex, den tänkande delen av hjärnan, säger Haussler. Det är den del av vår hjärna som har blivit så mycket större under de senaste miljoner åren av evolution.
Eftersom forskare ännu inte känner till genens funktion är det svårt att förutsäga dess roll i hjärnans utveckling eller mänsklig evolution. Att hitta dessa snabbt utvecklande gener är en startpunkt för att förstå människans genetiska evolution, säger Lahn, men det berättar inte för oss hur förändringar i den genetiska sekvensen leder till förändringar i människans biologi.
Verkligen, HAR1F är ganska mystiskt. Det kodar bara för ett RNA, medan de flesta gener i slutändan kodar för ett protein. Medan andra RNA-kodande gener har identifierats – RNA-gener har ibland en reglerande funktion som förändrar produktionen av ett protein – liknar denna sekvens ingen av de kända RNA-generna. Genen verkar vara en gen i sitt eget universum, säger Lahn.
Genen är också skild från tidigare identifierade gener som kan spela en roll i hjärnans utveckling. Förra året identifierade Lahns grupp två hjärngener som under den senaste tidens evolutionära press. Till skillnad från HAR1F , dessa gener har en känd funktion – de är båda involverade i kontrollen av hjärnans storlek. Dessutom finns olika varianter av dessa gener i olika regioner i världen, medan alla som testats hittills verkar ha samma 18 variationer i den snabbt utvecklande delen av HAR1F .
Hausslers grupp kunde identifiera det nya DNA-stycket på grund av deras unika inställning till genomanalys. Tidigare studier fokuserade på de kodande regionerna i genomet: den del av DNA som styr produktionen av proteiner. Hausslers grupp, å andra sidan, gjorde en genomomfattande sökning efter snabbt utvecklande sekvenser inom de konserverade regionerna av DNA. Deras metod verkar vara ett mycket elegant sätt att plocka upp de potentiella reglerande element som fick unika funktioner i den mänskliga släkten, säger Ganeshwaran Mochida , en neuroforskare och genetiker vid Harvard Medical School i Boston.
Vissa forskare är dock skeptiska till att DNA-biten kommer att visa sig vara nyckeln till människans hjärnans utveckling. Det är lite svårt att förstå hur en bit av RNA på 118 baspar kunde ha varit så stenkall evolutionärt, med två förändringar under de senaste 318 miljoner åren, för att sedan genomgå 18 successiva oberoende substitutioner i den mänskliga härstamningen sedan splittringen med schimpansen, säger Andrew Clark , en befolkningsgenetiker vid Cornell University i Ithaca, NY. Han föreslår att de senaste förändringarna kan vara produkten av en ovanlig och ännu inte förstådd mutationsprocess, snarare än av evolutionärt tryck. Och han tillägger att det ännu inte finns några bevis för någon av möjligheterna. Hur som helst fungerar arbetet som en stark motivation för att förstå den här genens biologiska funktion, och det har alltid varit spänningen med den här typen av arbete, säger han.
Haussler och medarbetare försöker nu ta reda på vilken roll HAR1F spelar under hjärnans utveckling. Bland andra experiment planerar de att skapa en mus som uttrycker genens mänskliga form. Vi vet inte om musen kommer att börja skriva Shakespeare, säger Haussler. Det är osannolikt att det fungerar som en mänsklig gen eftersom det uttrycks i musens cortex med andra musgener, men det är något att prova.
Haussler förutspår att resultaten kommer att utlösa en våg av forskning om rollen som HAR1F . Till exempel hoppas han att forskare som studerar genetiken för schizofreni och andra störningar kommer att söka i sin patientpopulation efter mutationer i genen, vilket kan belysa dess roll i hjärnans utveckling och kognitiv funktion.