Czy rozszyfrować genetyczną podstawę umysłu? • Alexander Markov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Genetyka

Czy rozszyfrować genetyczną podstawę umysłu?

Ludzkie czaszki, szympansy, orangutany i makaki zawierają mózg o wadze 1350, 400, 400 i 100 g. Ryc. od artykułu do Nauka

Porównanie genomów ludzi, szympansów i innych ssaków pozwala nam zidentyfikować coraz więcej cech genetycznych, które odróżniają nas od innych zwierząt. Jednak funkcjonalne znaczenie większości zidentyfikowanych różnic nie zostało jeszcze ustalone, a nawet niektóre uzasadnione hipotezy można wysunąć tylko w nielicznych przypadkach. Od czasu do czasu w mediach pojawiają się krzykliwe nagłówki, które informują o odkryciu następnego "kluczowego genu, który uczynił nas ludźmi", wyprzedzając wyraźnie wydarzenia.

Czym różni się człowiek od innych zwierząt? To pytanie od dawna prześladują naukowcy. Chociaż w ostatnich latach etologowie i zoopsychologowie prześcigają się w odnajdywaniu w zwierzętach wielu cech myślenia i zachowania, które wcześniej uważano za czysto ludzkie (patrz wybór linków poniżej), z pewnością istnieją pewne różnice. Niech nie jakościowe, ale przynajmniej ilościowe. W końcu jesteśmy mądrzejsi! Nasz mózg jest trzy razy większy niż mózg szympansów, a to coś znaczy.

Dlatego nie jest zaskakujące, że genetyka badająca ludzki genom walczy o odkrycie cech genetycznych, które doprowadziły do ​​wzrostu mózgu i, być może, bardziej wydajnej pracy.Szczególne nadzieje są przypięte jednocześnie porównując ludzkiego genomu z genomem szympansa. To sprawia, że ​​możliwe, aby wykluczyć z rozważań tych 98% genomu, które są identyczne z naszego gatunku. Gdzieś, w pozostałych dwóch procent jest szyfrowana tajemnicę ludzkiej niepowtarzalności. Pozostaje dokładnie zrozumieć, gdzie i jak.

Postęp tych badań powinny być publicznie z niesłabnącym zainteresowaniem. W mediach co jakiś czas przebłyski chwytliwymi nagłówkami: „Znaleziono gen, który dał osobę wielki mózg”, „pojedynczy gen nas ludzki”, „Found kluczowy gen, który odróżnia małpy i człowieka”, itd. Czy muszę wyjaśniać, że .. genetycy dziennikarz otwarcia retelling czasami są dość drogie i nie do końca prawidłowo interpretowane.

Redakcja NaukaOczywiście sytuacja uważana za dużo pracuje, a więc wielka popularnością recenzja została opublikowana w najnowszym numerze czasopisma, w którym dziennikarze wskazał swój błąd, a jednocześnie podsumować i określone przyszłe perspektywy dla szukanej frazy „genów ludzkości.”

Co dzisiaj naprawdę udało się dowiedzieć o zmianach, jakie zaszły w naszym genomie poJak ewolucyjne ścieżki ludzi i szympansów rozchodzą się w ciągu około 6 milionów lat?

1. Zmiany w białkach

Te części genomu, które kodują białka, zmieniły się bardzo niewiele. Różnice w sekwencjach aminokwasowych białek u ludzi i szympansów są znacznie mniejsze niż 1%, a spośród tych kilku różnic większość z nich nie ma znaczenia funkcjonalnego lub wartość ta pozostaje nieznana. Tylko w niektórych przypadkach można było wysunąć hipotezę dźwiękową dotyczącą możliwej roli funkcjonalnej tych zmian. Na przykład ludzkie białko kodowane przez genom FOXP2różni się od analogu szympansa dwoma aminokwasami (co jest całkiem sporo) i wiadomo, że mutacje w genie FOXP2 może prowadzić do poważnych zaburzeń mowy. Sugerowało to, że zastąpienie dwóch aminokwasów jest w jakiś sposób związane z rozwojem zdolności wymawiania dźwięków artykulacyjnych (patrz Vernes i in., 2006).

Jednak nie ma powodu, aby zadzwonić FOXP2 "genom mowy" i twierdzą, że to on zmusił nas do mówienia istot. Ogólnie rzecz biorąc, funkcja tego białka nie jest znana. Można się było jedynie dowiedzieć, że jest to czynnik transkrypcyjny – represor. Zmniejsza aktywność niektórych innych genów.Co dokładnie – nie jest znane. Ale ostatnio pokazano, że aktywność samego genu FOXP2 u ptaków śpiewających dramatycznie spadają podczas śpiewania, i to właśnie w tej części mózgu jest odpowiedzialny za śpiew (patrz Teramitsu, White, 2006). Co to wszystko znaczy, że genetyka ma dużo czasu, aby się dowiedzieć.

Oprócz badania pojedynczych genów i białek, jak w powyższym przykładzie, genetycy często używają bardziej globalnego podejścia, analizując jednocześnie duże grupy genów zjednoczonych przez jakąś wspólną własność. Na przykład porównują one ludzkie i szympansie warianty genów powiązanych w ten czy inny sposób z onkologią (patrz Dlaczego szympansy nie chorują na raka, Elementy, 08 lutego 2006). Podobnie porównywano geny związane z rozwojem mózgu. Można było wykazać, że u naczelnych jako całości ewolucja tych genów jest znacznie szybsza niż na przykład u gryzoni.

Takie badania od razu ujawniają dziesiątki i setki różnic genetycznych między człowiekiem a jego najbliższymi krewnymi. Szczególnie "obiecujące" są te geny, w których można wykryć ślady bezpośredniego działania selekcji. Takie ślady wskazują, że zmiany, które zaszły w tym genie, były naprawdę ważne dla naszych przodków, wpłynęły na ich przetrwanie i były wspierane przez selekcje.Uważa się, że wiarygodnym wskaźnikiem działania selekcji jest zwiększony udział "znaczących" podstawień nukleotydów w stosunku do "nieistotnych" (znaczące substytucje nukleotydowe to te, które prowadzą do zastąpienia aminokwasu w kodowanym białku).

Odkrycie biologicznego znaczenia stwierdzonych różnic jest odrębnym, bardzo złożonym zadaniem, którego rozwiązanie zwykle odkłada się "na później". Kiedy nadejdzie później, trudno powiedzieć. Teraz wszyscy są zbyt zainteresowani "przesiewami" na dużą skalę, podczas których różnice genetyczne osoby od szympansa są wychwytywane przez setki, ale niezrozumiałe, ale tylko w przybliżeniu posortowane według stopnia "perspektywiczności".

Wśród "szczególnie obiecujących" genów złapanych w ten sposób są ASPM i mikrocefalina. Wyraźne ślady działania selekcji znajdują się w nich, a ich związek z rozwojem mózgu potwierdza fakt, że mutacje w nich prowadzą do małogłowie. Wykazano, że białko ASPM spowalnia transformację zarodkowych neuroepitelialnych komórek macierzystych w neurony. Innymi słowy, komórki – prekursory neuronów w obecności ASPM mają czas na podzielenie się większą liczbą razy, zanim przekształcą się w neurony, które nie mogą już dzielić.

2. Zmiany w regulacyjnym RNA

Inną metodą poszukiwania "obiecujących" regionów ludzkiego genomu jest identyfikacja takich segmentów DNA, które są podobne u szympansów i innych zwierząt, ale bardzo różne u ludzi. W ten sposób zidentyfikowano 49 miejsc genomu, w których nasi przodkowie ulegli radykalnym zmianom po tym, jak linie ewolucyjne szympansów i ludzi się rozeszły (Pollard i in., 2006).

Próby znalezienia w tych 49 miejscach czegoś znaczącego doprowadziły do ​​odkrycia genu HAR1F. Ten gen koduje nie białko, ale małe regulacyjne RNA, które jest aktywnie syntetyzowane w mózgu zarodka właśnie w czasie, gdy kładzie się strukturę kory dużych półkul (od siódmego do dziewiętnastego tygodnia). Ten gen, jak się okazało, dotyczy nie tylko wszystkich ssaków, ale także ptaków. Jakkolwiek człowiek HAR1F ma 18 różnic od szympansa i szympansa od kurczaka – tylko dwa. Pozostaje tylko zrozumieć, jakie geny reguluje ten mały regulator RNA, jak to robi i dlaczego.

3. Zmiany w aktywności genów

Ewolucja organizmów wielokomórkowych w ogóle, a naczelnych w szczególności, przebiega nie tyle poprzez zmianę struktury genów, ale przez zmianę ich aktywności.Niewielka zmiana górnych pięter hierarchicznie zorganizowanych obwodów regulacji genów może doprowadzić do najbardziej radykalnych zmian w morfologii. Liczba zmodyfikowanych nukleotydów w genomie może być bardzo mała.

Aktywność genu jest regulowana na wiele sposobów, ale najbardziej uniwersalnym w wyższych organizmach jest regulacja za pomocą specjalnych białek – czynników transkrypcyjnych (TF). Białka te znajdują specyficzne bardzo krótkie sekwencje nukleotydowe (miejsca wiązania TF lub wzmacniacze), zazwyczaj zlokalizowane przed rozpoczęciem regulowanych genów (w tak zwanym regionie regulacyjnym), przyłączają się do DNA w tym miejscu i albo hamują, albo aktywują gen. Ten sam TF może regulować wiele genów. Geny kodujące TF, z kolei, są regulowane przez inne TF, i tak dalej – na kilku piętrach. Jest oczywiste, że zmiana nawet jednego lub dwóch nukleotydów w regionie regulatorowym lub kodującym genu TF wysokiego poziomu może mieć bardzo daleko idące konsekwencje. Aby "złapać" takie zmiany genetyczne jest bardzo trudne, ale łatwo zauważyć rezultat: zmianę aktywności różnych genów.

O metodologii takich badań i ich wynikach "Elementy" zostały już napisane (patrz: ewolucji ludzkiej towarzyszyła zmiana w działaniu regulatorów genów, 13 marca 2006 r.). Okazało się, że wśród genów, których aktywność u ludzi zmieniła się dramatycznie w porównaniu z szympansami, istnieje wiele czynników transkrypcyjnych. Sugeruje to pewne znaczące zmiany na wyższych poziomach sieci regulacji genów. Ponadto okazało się, że szczególnie silne zmiany w aktywności genów u ludzi w porównaniu z szympansami obserwuje się w komórkach mózgowych. Kiedy szympansy porównywano z innymi naczelnymi w ten sam sposób, obraz był inny: aktywność genów w mózgu różniła się nie u różnych małp niż u innych narządów. Ciekawe, że prawie wszystkie geny, których aktywność w komórkach mózgowych różni się znacznie u ludzi i szympansów, są bardziej aktywne u ludzi. Co by to miało znaczyć? Nikt jeszcze o tym nie wie.

4. Podwajanie genów

Aktywność genów może zmieniać się w trakcie ewolucji nie tylko pod wpływem różnych regulatorów – TF lub regulacyjnego RNA – ale także w wyniku duplikacji genów. Inne rzeczy są równe, dwa identyczne geny będą produkować więcej produktu (to znaczy matrycowego RNA, który jest następnie tłumaczony na białko) niż jeden.

Powielanie genów, a także ich utrata, są bardzo powszechnym zjawiskiem w ewolucji. Co najmniej 134 duplikacje genów miało miejsce w ludzkiej linii ewolucyjnej (po jej izolacji 6 milionów lat temu).

Nie tylko podwojono geny, ale wszystko, co jest pomiędzy nimi – wszystkie rodzaje niekodujących regionów DNA, których funkcja w większości przypadków jest nieznana. Czasami zdarzało się podwojenie poszczególnych fragmentów genów.

Niektóre geny są wielokrotnie powielane. Na przykład gen MGC8902 u ludzi występuje w 49 egzemplarzach (u szympansów 10, u makaków 4). Funkcja genu, jak zwykle, jest nieznana, ale nosi ślady działania selekcji i aktywnie działa w komórkach mózgowych (Popesco i in., 2006).

5. Nowe geny?

Podwojenie ilości genów często staje się pierwszym krokiem do powstania całkowicie nowych genów. Jedna z dwóch kopii genu, znajdująca się w innym "środowisku", może zacząć być regulowana inaczej, pracować w innych tkankach lub na innych etapach rozwoju organizmu, a na końcu może uzyskać nową funkcję i strukturę. Ale to długa droga. W jakim stopniu został on wdrożony w ewolucji człowieka, tak naprawdę jeszcze nie jest znany.

Nowe geny mogą powstawać szybciej – poprzez tasowanie części istniejących genów. Jeden taki przypadek jest rejestrowany przez daną osobę. Gene SIGLEC-11 powielała się około 15 milionów lat temu, nawet przed rozbieżnościami linii ludzkich i szympansów. Jego druga kopia w pewnym momencie zgasła, przestała działać i nagromadziły się w niej mutacje. W przypadku szympansów ta wyłączona kopia została nieodebrana, a u ludzi jej fragment zastąpił część oryginalnego genu. SIGLEC-11. Rezultatem był prawie całkowicie nowy, czysto ludzki gen. Koduje on białko receptorowe, które należy do nadrodziny immunoglobulin i jest obecne na błonach limfocytów i niektórych komórek mózgowych. To, co robi w mózgu, nie jest jasne (Angata i wsp., 2006).

Ogólnie rzecz biorąc, genetyka jest obecnie głównie zaangażowana w prace przygotowawcze: przeprowadzają one na dużą skalę genomowe "skany" i tworzą długie listy "potencjalnych genów". Jak dotąd nikt nie może powiedzieć, który z nich okaże się kluczowy, definiując ludzką wyjątkowość. Według niektórych badaczy ten etap zakończy się dopiero za 2-3 lata. Do tego czasu listy kandydatów będą już wystarczająco kompletne (i starannie odfiltrowane), abyśmy mogli zacząć poważnie poszukiwać wśród nich prawdziwych "genów ludzkości" i rozszyfrować ich rolę funkcjonalną i ewolucyjną.

Dzisiaj jednym z najlepiej wykształconych kandydatów jest gen prodynorphin (PDYN)w obszarze regulacyjnym, w którym zachodziły zmiany, których konsekwencjami mogłyby być zmiany w emocjonalnej regulacji zachowania człowieka (patrz Czy endorfiny czynią nas ludźmi ?, Elementy, 29 listopada 2005).

Źródła: Elizabeth Pennisi. Mining the Molecules, które spowodowały nasz umysł // Nauka. 2006. V. 313. P. 1908-1911; jak również artykuły wymienione w tekście.

Zobacz także:
Czy endorfiny czynią nas ludźmi? ("The Elements", 29 listopada 2005).
Ewolucji człowieka towarzyszyła zmiana aktywności regulatorów genów (Elements, 13 marca 2006 r.).
"Ciche" geny mówią o ewolucji człowieka (Radio Liberty, 02.2.2006).
Dlaczego szympansy nie chorują na raka (Elements), 8 lutego 2006 r

Odniesienia do badań pokazujących, że wiele cech zachowania i psychologii, uważanych za unikalne dla ludzi, są również charakterystyczne dla zwierząt:
Nie ma jakościowej różnicy między myśleniem człowieka i zwierząt (Radio Liberty, 24 kwietnia 2006 r.).
Myszy odczuwają czyjś ból ("Elements", 07/03/2006) – empatia.
Używanie narzędzi przez zwierzęta nie zawsze oznacza wielki umysł (Elements, 29 marca 2006). – wytwarzanie i używanie narzędzi.
Małpy myślą o przyszłości ("Elementy", 29.05.06) – planowanie.
Małpy wypowiadają zdania z dwóch słów ("Elementy", 05.21.2006); Starlings rozumieją gramatykę (Radio Liberty, 04/28/2006) – składnia.
Czy wojna jest naturalną manifestacją kolektywizmu? ("Elements", 17.05.2006) – wojny międzyplemne.
Szympansy są zdolne do bezinteresownej wzajemnej pomocy ("Elements", 13 marca 2006) – bezinteresownej pomocy wzajemnej.
Zwierzęta są w stanie myśleć logicznie ("Elementy", 02.2.2006) – logika i umiejętność odróżnienia związku przyczynowego od zbiegu okoliczności.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: