Причина выдающихся когнитивных способностей человека по сравнению с другими представителями животного мира – одна из наиболее интригующих научных загадок. Люди отличаются более продолжительным кортикогенезом, результатом которого является повышенное количество нейронов и более сложные нейронные сети в коре больших полушарий. В процессе нейрогенеза исходными предшественниками нервных клеток служат стволовые клетки радиальной глии, у человека они имеют повышенный пролиферативный потенциал, что и лежит в основе наблюдаемых различий, но генетические и молекулярные механизмы этого остаются во многом непонятными.

Одна из стратегий в рамках генетического подхода к изучению того, что делает человека человеком, состоит в поиске уникальных для нашего генома участков. Такие участки были обнаружены, среди них стоит отметить зоны ускоренного развития у человека (human accelerated regions, HARs) – это консервативные у позвоночных относительно небольшие некодирующие участки генома, при этом у человека темп их эволюции значительно ускорен по сравнению даже с ближайшими родственными видами. Многие из этих участков ассоциированы с генами, нужными для развития нервной системы, но зачастую их молекулярные функции остаются невыясненными.

В работе Liu et al., 2025 представлено исследование, проливающее свет на связь между функцией одного из HAR и особенностями нейрогенеза у человека. Последовательность HARE5 длиной 619 п.н. расположена на хромосоме 10. Согласно данным ChIP-seq и Hi-C, HARE5 обогащен характерной для активных энхансеров гистоновой меткой H3K27ac, а также физически контактирует с тремя генами, наиболее частые контакты формируя с геном FZD8, кодирующим рецептор сигнального пути Wnt. Использование метода CRISPR interference позволило нарушить функционирование HARE5, что привело к снижению уровня экспрессии гена FZD8 в нервных клетках. Было установлено, что активность HARE5 (гиперчувствительность к ДНКазе и уровень H3K27ac) и повышенная экспрессия гена FZD8 характерны для нейрональных прогениторных клеток. Использование репортерной трансгенной конструкции на основе гена GFP под контролем энхансера HARE5 позволило подтвердить, что у мышей он запускает экспрессию регулируемого гена в клетках радиальной глии развивающегося неокортекса. Таким образом, HARE5 функционирует как специфический для прогениторных клеток нервной ткани энхансер гена FZD8.

Связаны ли характерные для человека нуклеотидные замены в последовательности HARE5 с особенностями экспрессии человеческого FZD8? Анализ данных RNA-seq показал, что уровень экспрессии FZD8 повышен в пренатальном неокортексе человека по сравнению с приматами и мышами, в то время как на более поздних стадиях развития, в постнатальной коре, уровень экспрессии у сравниваемых видов сопоставим. Эти данные говорят в пользу того, что энхансерная функция HARE5 необходима для активации гена FZD8 и усиления рецепции сигналов Wnt в процессе кортикогенеза, что приводит к повышенной пролиферации клеток на этом этапе развития. Хотя общий паттерн регуляции экспрессии гена FZD8 в процессе развития схож у разных видов, человеческий вариант HARE5 обеспечивает повышенную экспрессию.

На следующем этапе работы авторы проверили предположение, что повышенная энхансерная активность человеческого HARE5 приводит к характерным особенностям развития коры мозга. Для этого были созданы трансгенные мыши, у которых обе копии HARE5 были заменены на человеческие версии, кроме того, в другой линии мышей при помощи метода conditional knockout была нарушена работа мышиных вариантов HARE5. По сравнению с контрольной линией с интактными HARE5, уровень экспрессии гена FZD8 был повышен в линии с человеческим HARE5 и понижен в линии с нокаутом. Кроме того, кора мозга мышей с человеческим HARE5 была более развита и содержала повышенное количество нейронов по сравнению с контролем, а нокаут приводил к противоположному эффекту.

Действительно ли активность человеческого HARE5 приводит к повышенной пролиферации клеток? Анализ клеточного состава развивающейся коры показал, что человеческий HARE5 повышает пролиферативную активность и самообновление клеток радиальной глии, что приводит к экспансии прогениторных клеток на ранних стадиях нейрогенеза. Но приводит ли это в конечном итоге к увеличению количества нейронов? Для ответа на этот вопрос была исследована пролиферация клеток с использованием бромдезоксиуридина (BrdU), который метит новую ДНК в процессе репликации. Было показано увеличение количества новых нейронов под влиянием человеческого HARE5 по сравнению с контролем. Таким образом, влияние человеческого HARE5 стимулирует не только самообновление и пролиферацию прогениторных клеток, но и их дифференцировку в нейроны. Кроме того, анализ данных RNA-seq показал, что наличие человеческого HARE5 приводит к увеличению экспрессии генов, вовлеченных в дифференцировку и созревание нейронов.

Вышеописанные эксперименты показали, что человеческий HARE5 влияет на экспрессию гена FZD8, приводя к повышенной пролиферации мышиных нервных клеток, но как обстоит ситуация в человеческих клетках? И есть ли отличия в работе HARE5 у человека и ближайших родственников приматов? Для того, чтобы ответить на эти вопросы, была получена линия человеческих эмбриональных стволовых клеток с HARE5 шимпанзе. Их дифференцировка в нейрональные прогениторные клетки показала, что экспрессия гена FZD8 ниже в том случае, если он контролируется обезьяньим HARE5 по сравнению с человеческим вариантом, что указывает на более высокую энхансерную активность человеческого HARE5. Далее авторы проверили, как HARE5 влияет на нейрогенез в кортикальных органоидах, полученных из модифицированных клеток, и было показано, что в органоидах, происходящих из клеток с обезьяньим HARE5, ниже содержание нейрональных прогениторных клеток, также как и ниже их пролиферативная активность. Аналогичные эксперименты, проведенные с модифицированными клетками шимпанзе, показали, что человеческий вариант HARE5 увеличивал экспрессию гена FZD8 и стимулировал пролиферацию нейрональных прогениторных клеток и нейрогенез.

Наконец, авторы выяснили, действительно ли вышеописанные эффекты связаны с работой сигнального пути Wnt? При помощи репортерной системы TCF/LEF:H2B-EGFP, позволяющей оценивать интенсивность работы этого пути, было показано, что человеческий HARE5 увеличивает активность сигнального пути Wnt в клетках радиальной глии. Кроме того, искусственная сверхэкспрессия гена FZD8 фенокопирует эффекты человеческого HARE5, что дополнительно свидетельствует в пользу того, что активация нейрогенеза связана с повышенной энхансерной активностью человеческого варианта HARE5.

Итак, результаты работы позволяют предложить следующую модель (см. рис. 1): HARE5 функционирует в качестве энхансера, активируя в клетках радиальной глии экспрессию гена FZD8, кодирующего рецептор сигнального пути Wnt. Активность Wnt приводит к пролиферации клеток и их дифференцировке в нейроны в ходе кортикогенеза. Эти процессы работают схожим образом у позвоночных, но энхансерная активность человеческой версии HARE5 повышена по сравнению с прочими видами, включая наших ближайших родственников шимпанзе. Это приводит к повышенной экспрессии FZD8 и дополнительной активации Wnt в прогениторных клетках, обусловливая их повышенный пролиферативный потенциал, что приводит к более интенсивному формированию нейронов и большему развитию коры мозга у человека.

В конечном итоге специфические особенности строения и функционирования мозга человека определяются совокупным влиянием множества участков генома и прочих факторов, и обсуждаемая работа раскрывает один из элементов в общей картине процессов, определяющих нашу уникальность.

Рис. 1. Различная активность вариантов энхансера HARE5 у человека и шимпанзе определяет различия в развитии коры мозга. Фрагмент иллюстрации из обсуждаемой статьи.

Новость подготовил
© Шацких Алексей Сергеевич, к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории функциональной геномики.
22.05.2025