Буквально лет 20 назад мир охватил нарратив, дескать мы используем только 10% своего мозга. И фильмы «Люси», «Области Тьмы» и даже «Ученик Чародея» активно использовали этот баг интерпретации. Но, точно также, существует мнение, что огромная часть нашей ДНК – это мусор, накопившийся как атавизм за годы эволюции. Что ж, новое исследование показывает, что часть этой «мусорной ДНК» буквально затащила наш мозг на вершину эволюции. И нас вместе с ним.
Новое исследование показывает, что транспозабельные элементы (ТЭ), ранее считавшиеся «нефункциональной» или «мусорной» ДНК, сыграли ключевую роль в эволюции мозга млекопитающих.
Эти мобильные последовательности ДНК расширяли сети регуляции генов в процессе развития нервной системы, распространяя точки связывания для критически важных факторов транскрипции. Открытие уже нашло применение на практике, так как помогает расширить стратегии получения специфических нейронных клеток из стволовых клеток для борьбы с нейродегенеративными заболеваниями.
Ключевые факты
В этом разделе традиционно перебираю основные термины статьи и их последствия, чтобы мы заранее могли договориться, о чем спорить в комментариях.
Сайт связывания. Это функционально значимые, короткие участки ДНК внутри гена или генома, которые выполняют специфические задачи: кодирование, регуляцию работы генов или узнавание белками
Расширение нормативных требований. В ходе исследования выявили более 20 000 сайтов связывания Sox2 и Brn2, двух белков, необходимых для превращения стволовых клеток в нейроны. И эти 20 000 сайтов связывания образовались из транспозонных элементов.
Конкретные семейства транспозонных элементов. Некоторые семейства, такие как MER51 и MER49, были носителями для распространения регуляторных «мотивов» нашего генома в ходе эволюции приматов.
Цис-регуляторная активность. Ранее считалось, что в созревании нейронов основную роль играют эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). Как оказалось, огромное количество транспозонных элементов (ТЕ) проявляют более активные регуляторные функции в нейронных клетках-предшественниках (НПК).
Двухфазная модель. Регуляция работы мозга развивалась в два этапа: древняя базовая структура, восходящая к ранним позвоночным: рыбам и рептилиям, за которой последовало масштабное расширение, обусловленное транспозонами в ходе эволюции плацентарных млекопитающих и приматов.
Функции энхансеров. Многие транспозоны приобрели «энхансероподобные» функции, в частности, помогая определять, когда и где активируются близлежащие гены во время нейрональной дифференцировки.
От изгоя к движущей силе эволюции
Ученые обнаружили доказательства, подтверждающие механизм, в котором транспозабельные элементы (ТЭ), ранее считавшиеся «мусорной» ДНК, способствовали эволюции и регуляции активности генов в процессе развития нервной системы.
Более того, мы по-прежнему предрасположены к эволюции, причем как в рамках вида, так и в рамках жизни одного человека. Наш мозг сохраняет способность к познанию эмоций, и расширять спектр своих ощущений человек способен вплоть до глубокой старости.
Полученные данные о механизмах, регулирующих развитие нейронов в головном мозге, полезно в разработке стратегий по выращиванию/регенерации определенных типов нейронных клеток из эмбриональных стволовых клеток (ЭСК).
Транспозоны (ТЭ) – это подвижные последовательности ДНК, способные встраиваться в различные участки генома. Несмотря на то, что из ТЭ состоит 30-50% генома млекопитающих, их роль остается малоизученной. Ранее их связывали с контекстом, специфичном для определенного типа клеток и то во время их дифференциации. Также, малая часть ТЭ иногда влияет на то, включаются или выключаются близлежащие гены.
Для изучения функций этих частей ДНК доктор Хиденори Нисихара, доцент кафедры передовых биотехнологий факультета сельского хозяйства и Института исследований сельскохозяйственных технологий и инноваций Университета Киндай (Япония), вместе с г-ном Ацуси Комия из той же кафедры исследовали вклад транспозонных элементов в дифференцировку стволовых клеток в нейронные клетки.
Данное исследование было опубликовано в 27-м томе, статье № 114, журнала Genome Biology 9 апреля 2026 года.
Экспрессия генов и факторы транскрипции
Нас особенно интересует то, как эти элементы могли быть включены в процесс эволюции для формирования сложных биологических систем, таких как мозг млекопитающих. Изучая эти вопросы, мы стремимся выйти за рамки традиционного представления о «функциональной» и «нефункциональной» ДНК и вместо этого разработать более целостное понимание того, как геном в целом способствует биологическим функциям организма и его эволюции в целом.
Доктор Хиденори Нисихара, объясняя мотивацию этого исследования.
Экспрессию генов можно усиливать или подавлять посредством связывания белков, известных как факторы транскрипции. Чтобы лучше понять, как транспозонные элементы влияют на регуляцию генов во время дифференцирования нейронов, исследователи использовали общедоступные геномные данные и проанализировали человеческие транспозонные элементы, связанные с двумя факторами транскрипции, Sox2 и Brn2, которые имеют решающее значение для развития нейронов. Ученые сравнили результаты, полученные на эмбриональных стволовых клетках (ЭСК), с результатами, полученными на дифференцированных нейрональных клетках-предшественниках (НПК).
В ходе исследования было выявлено более 20 000 сайтов связывания для Sox2 и Brn2, происходящих от транспозонных элементов (ТЕ), включая эндогенные ретровирусы, которые распространились в процессе эволюции приматов. Выявлены специфические семейства ТЕ, такие как MER51 и MER49, предрасположенные к связыванию для Sox2 и Brn2 соответственно. А это способствует распространению регуляторных последовательностей по всему геному. Вмешиваться в сам геном и редактировать его работу, в духе анархо-трансгуманизма, пока что потребности нет.
Профилирование хроматина дополнительно показало, что подмножество связывающих Sox2 транспозонных элементов связано с динамическими изменениями связывания Sox2 и «цис- регуляторной» активности во время дифференцировки нейрональных стволовых клеток, что предполагает их роль в регулировании того, когда и где активируются близлежащие гены.
Транспозонные элементы как двигатель эволюции
Эта цис-регуляторная активность наблюдается у значительно большего числа транспозонных элементов в клетках-предшественниках нейронов по сравнению с эмбриональными стволовыми клетками, при этом особенно сильный вклад вносят транспозонные элементы, возникшие в ходе эволюции плацентарных млекопитающих.
Анализ мотивов дополнительно показал, что по меньшей мере 24 семейства транспозонных элементов внесли вклад в распространение сайтов связывания Sox2 и Brn2 по всему геному, причем многие из этих элементов приобрели функции, подобные функциям энхансеров в ядерных порах.
Интересно, что подмножество сайтов связывания Sox2 и Brn2, расположенных вне транспозонных элементов, восходит к ранним позвоночным, включая рептилий и рыб, что позволяет предположить, что основная регуляторная структура развития нейронов существовала еще до плацентарных млекопитающих.
Последующее распространение транспозонных элементов по геному, по-видимому, привело к расширению цис-регуляторных элементов, связывающих Sox2 и Brn2, в ходе эволюции приматов, в результате чего в ядерных порах образовалось более 3000 сайтов связывания Sox2 и 500 сайтов связывания Brn2.
Регуляция генов и изменение взглядов на эволюцию видов
В целом, эти результаты подтверждают двухфазную модель приобретения транспозонных элементов в процессе эволюции, включающую как древние, так и более поздние апгрейды, которые вместе сформировали современные паттерны регуляции генов.
Ключевое в этом исследовании то, что регуляторные элементы, полученные из транспозонных элементов с функциональными изменениями в паттернах связывания Sox2, участвуют в определении нейронной линии развития, что ранее было неизвестно. Эволюционное расширение в сочетании с приобретением функции энхансеров еще больше диверсифицировало регуляцию генов, лежащую в основе формирования нейронов.
Полученные результаты в корне меняют наше понимание эволюции и регуляции генома, особенно в таких сложных органах, как мозг, и критически важны для эволюционной биологии, нейробиологии и медицинской геномики.
Доктор Хиденори Нисихара.
Этот механизм становится основой для создания инструментов, в борьбе с нейродегенеративными заболеваниями.
Ответы на ключевые вопросы
В: Что такое эти ваши «прыгающие гены»?
О: Транспозоны (ТЭ) – это последовательности ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Из них состоит 30-50% генома млекопитающих, и долгое время их считали «мусорными», пока ученые не поняли, что транспозоны могут включать или выключать соседние гены.
В: Сделала ли «мусорная ДНК» людей умнее?
О: Не умнее, но это сделало наш мозг более сложным. Распространяя новые регуляторные инструкции по всему геному, транспозоны обеспечили более сложный и разнообразный контроль генов во время развития мозга, особенно в ходе эволюции приматов.
В: Как это помогает в лечении таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера?
О: Понимание точных «переключателей», превращающих стволовую клетку в определенный тип нейрона, позволяет ученым лучше выращивать эти клетки в лаборатории. Это может привести к созданию более эффективных методов клеточной терапии нейродегенеративных заболеваний.
Свои вопросы вы можете смело оставить в комментариях к статье, и я на них отвечу. Больше переводов новостей – вы найдете в профиле на этом ресурсе.
Связаться напрямую можно или по почте: filipp.donchev@gmail.com
Или в Телеграме
Понимать сильные стороны своих недостатков, улучшать адаптивность и применять знания о мозге на практике – обо всем этом читайте на сайте Neural Hack или в одноименном канале.