Транскрипционные факторы объясняют различия в работе мозга человека и шимпанзе
Люди и шимпанзе разделяют не менее 97% генов, но новое исследование транскрипционных факторов показывает, что важнее не то, что содержится в геноме, а то, как он используется.
Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что масштабные различия в активности генов у человека и шимпанзе, затрагивающие почти 1000 генов, связаны с действием около 90 транскрипционных факторов.
Транскрипционные факторы — это белки, которые связываются с определёнными участками ДНК, чтобы усилить или подавить активность множества генов. Один такой фактор может стимулировать транскрипцию десятков генов в матричную РНК (mRNA), которая затем транслируется в белки, выполняющие работу клетки. Это позволяет органам или тканям быстро реагировать на изменения среды или внутренние потребности.
Ранее были обнаружены различия в экспрессии генов между человеком и шимпанзе, особенно в мозге. Например, гены, участвующие в метаболизме или транспорте белков, транслируются в mRNA на гораздо более высоком уровне в мозге человека, чем в меньшем по размеру мозге шимпанзе.
«Эти различия соответствуют нашим знаниям, потому что человеческий мозг намного больше, и белки необходимо транспортировать на большое расстояние к синапсам», — пояснила профессор клеточной биологии и биологии развития Университета Иллинойса Лиза Стаббс, руководившая новым анализом вместе с постдоком Катей Новик. — «Более высокая потребность в метаболической энергии для человеческого мозга также была продемонстрирована независимо».
Однако из предыдущих исследований было неясно, как координируется этот всплеск генной активности.
Стаббс давно интересуется эволюционной ролью транскрипционных факторов и других регуляторных элементов в геноме. Её особенно интересует самое большое семейство транскрипционных факторов у млекопитающих — гены KRAB-цинковых пальцев (KRAB-ZNF). В среднем они накопили больше различий в последовательности между человеком и шимпанзе, чем другие гены.
«В этом семействе возникает много уникальных новых транскрипционных факторов, — сказала Стаббс. — Они возникают путём дупликации старых генов. Гены создают новую копию себя, и эта новая копия приобретает немного другую или даже кардинально иную функцию. Мы сильно склонны полагать, что эти транскрипционные факторы вовлечены в видообразование и признаки, которые делают виды уникальными».
Новик, изучающая эволюцию человека и приматов, ранее входила в команду Института эволюционной антропологии Макса Планка, которая анализировала различия в экспрессии генов между человеком и шимпанзе.
В новом исследовании Новик и соавтор, специалист по информатике Тим Гернат, по-новому взглянули на данные той работы, отслеживавшие экспрессию генов (включая гены, кодирующие транскрипционные факторы) в тканях шести людей и пяти шимпанзе.
«Катя и Тим разработали стратегию для очистки данных и более уникального анализа этих генов. Такого раньше не делали», — отметила Стаббс.
Анализ выявил общую картину активности 90 транскрипционных факторов, которая соответствовала активности около 1000 генов у человека и шимпанзе. Гены KRAB-ZNF были самыми распространёнными в этой группе, но было задействовано и много других факторов. Одни были активаторами, другие — репрессорами, но их активность совпадала с общим всплеском активности этих генов в мозге человека.
Соавтор исследования Эйвинд Алмаас из Норвежского университета естественных и технических наук разработал диаграмму сети генной регуляции, показывающую связь транскрипционных факторов с генами, активность которых растёт или падает вместе с ними. Близость одного фактора к другому в сети зависела от степени совпадения списков коррелирующих с ними генов. Алмаас создал одну сетевую диаграмму для человека и другую для шимпанзе, обнаружив интересные различия.
«Сеть шимпанзе очень похожа на человеческую, за исключением нескольких транскрипционных факторов, которые находятся в разных позициях и имеют разную связность, — сказала Стаббс. — Они интересны тем, что сигнализируют о серьёзном сдвиге в генной регуляции между видами, и этот сдвиг может помочь объяснить некоторые биологические различия».
Новые данные указывают на то, что определённые транскрипционные факторы работают вместе скоординированно, регулируя изменения в экспрессии генов между человеком и шимпанзе.
«Как только эта сеть транскрипционных факторов установлена, изменения в ней могут усиливаться, потому что транскрипционные факторы контролируют другие гены, — сказала Новик. — Поэтому даже небольшое изменение в экспрессии транскрипционного фактора может вызвать большой эффект на общие различия в экспрессии генов между шимпанзе и людьми».
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign