Древнее воздействие свинца могло повлиять на эволюцию человеческого мозга
Международное исследование меняет представление о том, что воздействие токсичного металла свинца — в основном постиндуриальное явление. Работа показывает, что наши предки периодически подвергались воздействию свинца на протяжении более двух миллионов лет, и этот токсичный металл мог повлиять на эволюцию мозга гоминид, поведение и даже развитие речи.
Более того, исследование, опубликованное в Science Advances, добавляет элемент в загадку о том, как люди превзошли своих родственников — неандертальцев. Модели мозговых органоидов с генетикой неандертальцев оказались более восприимчивы к воздействию свинца, чем человеческий мозг, что позволяет предположить, что воздействие свинца было более вредным для неандертальцев.
Исследование под руководством учёных из Geoarchaeology and Archaeometry Research Group (GARG) в Southern Cross University (Австралия), Department of Environmental Medicine в Icahn School of Medicine at Mount Sinai Hospital (Нью-Йорк, США) и School of Medicine в University of California San Diego (UCSD, США) объединило новую геохимию ископаемых, передовые эксперименты с мозговыми органоидами и пионерскую эволюционную генетику, чтобы раскрыть удивительную историю о роли свинца в истории человечества.
Токсичная нить в эволюции человека
До сих пор учёные полагали, что воздействие свинца — в основном современное явление, связанное с деятельностью человека, такой как добыча полезных ископаемых, выплавка металлов и использование этилированного бензина и красок. Проанализировав 51 ископаемый зуб видов гоминид и человекообразных обезьян, включая Australopithecus africanus, Paranthropus robustus, ранних Homo, неандертальцев и Homo sapiens, команда обнаружила чёткие химические сигнатуры периодического воздействия свинца, уходящие почти на два миллиона лет в прошлое.
Используя высокоточную лазерно-абляционную геохимию в GARG Facility в Southern Cross University (Лисмор, NSW) и современных лабораториях экспозомики Mount Sinai, исследователи обнаружили характерные «свинцовые полосы» в зубах, сформировавшиеся в детстве по мере роста эмали и дентина. Эти полосы свидетельствуют о повторяющихся эпизодах поглощения свинца как из внешних источников (например, загрязнённая вода, почва или вулканическая активность), так и из собственных костных запасов организма, высвобождаемых во время стресса или болезни.
«Наши данные показывают, что воздействие свинца не было лишь продуктом промышленной революции — оно было частью нашего эволюционного ландшафта», — заявил профессор Рено Жоаннес-Буайо, глава исследовательской группы GARG в Southern Cross University.
От ископаемых к функции: свинец и ген речи
Команда также провела лабораторные эксперименты, чтобы изучить, как это древнее воздействие могло повлиять на развитие мозга. Используя человеческие мозговые органоиды — миниатюрные модели мозга, выращенные в лаборатории, — они сравнили эффекты свинца на две версии ключевого гена развития NOVA1, гена, который, как известно, регулирует экспрессию генов при воздействии свинца во время нейроразвития. Современная человеческая версия NOVA1 отличается от версии, обнаруженной у неандертальцев и других вымерших гоминид, но до сих пор учёные не знали, почему произошло это изменение.
Когда органоиды, несущие архаичный вариант NOVA1, подвергались воздействию свинца, они демонстрировали выраженные нарушения в активности нейронов, экспрессирующих FOXP2, в коре и таламусе — областях мозга, критически важных для развития речи и языка. Этот эффект был гораздо менее выражен в органоидах с современным вариантом NOVA1.
«Эти результаты позволяют предположить, что наш вариант NOVA1 мог обеспечить защиту от вредного неврологического воздействия свинца», — сказал профессор Алиссон Муотри, профессор педиатрии/клеточной и молекулярной медицины и директор UC San Diego Sanford Stem Cell Institute Integrated Space Stem Cell Orbital Research Center.
Генетика, нейротоксины и становление современного человека
Генетический и протеомный анализ в этом исследовании показал, что воздействие свинца на органоиды с архаичным вариантом нарушало пути, вовлечённые в нейроразвитие, социальное поведение и коммуникацию. Изменённая активность FOXP2, в частности, указывает на возможную связь между древним воздействием свинца и эволюционным совершенствованием языковых способностей у современных людей.
«Это исследование показывает, как воздействие окружающей среды формировало нашу эволюцию», — сказал профессор Маниш Арора, профессор и вице-председатель отдела экологической медицины.
Современные уроки древней проблемы
Хотя сегодня воздействие свинца в основном связано с деятельностью человека, оно остаётся серьёзной глобальной проблемой для здоровья, особенно для детей. Полученные данные подчёркивают, насколько глубоко переплетены экологические токсины и биология человека, и предупреждают, что наша уязвимость к свинцу может быть унаследованным наследием нашего прошлого.
«Наша работа не только переписывает историю воздействия свинца, — добавил профессор Жоаннес-Буайо, — но и напоминает нам, что взаимодействие между нашими генами и окружающей средой формировало наш вид на протяжении миллионов лет и продолжает делать это сейчас».
В исследовании анализировались ископаемые зубы из Африки, Азии, Европы и Океании с использованием передового геохимического картирования для выявления паттернов воздействия свинца в детстве. Лабораторные эксперименты с мозговыми органоидами, несущими современные или архаичные гены NOVA1, изучали влияние свинца на развитие мозга с акцентом на FOXP2 — ген, центральный для речи и языка. Генетические, транскриптомные и протеомные данные были интегрированы, чтобы составить комплексную картину того, как свинец мог повлиять на эволюцию социального поведения и когнитивных способностей гоминид.