Содержание
Мозг современных людей и мозг неандертальцев развиваются по-разному
1867
Добавить в закладки
Ученые из Германии обнаружили, что стволовые клетки в развивающемся мозге современных людей дольше делятся и совершают меньше ошибок при распределении своих хромосом по дочерним клеткам по сравнению с клетками неандертальцев, сообщает Институт молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка. Результаты исследования появились в журнале Science Advances.
После того как предки современного человека отделились от предков неандертальцев и денисовцев, у них изменились около сотни аминокислот – строительных блоков белков в клетках и тканях. Эти изменения распространились почти на всех современных людей, но их биологическое значение в значительной степени неизвестно. Однако шесть из этих аминокислотных замен произошли в трех белках, играющих ключевую роль в распределении хромосом, носителей генетической информации, между двумя дочерними клетками во время клеточного деления.
Чтобы исследовать значение этих шести изменений для развития неокортекса (новых областей коры головного мозга), ученые использовали мышей в качестве модели развивающегося мозга современного человека. У мышей такие же шесть аминокислот, как у неандертальцев – и ученые внесли изменения в клетки мышей, чтобы они стали похожи на клетки современного человека. В результате обнаружилось, что три аминокислоты в «человеческой модели» в двух белках вызывают более длительную метафазу – фазу, в которой хромосомы готовятся к клеточному делению, – и это сокращает число ошибок, которые могут возникнуть, когда хромосомы распределяются между дочерними клетками нервных стволовых клеток.
Затем исследователи ввели наследственные аминокислоты неандертальца в органоиды человеческого мозга — миниатюрные органоподобные структуры, которые можно выращивать из стволовых клеток человека в лаборатории и которые имитируют аспекты раннего развития человеческого мозга. В этом случае метафаза стала короче, а ошибок в распределении хромосом – больше.
По словам авторов работы, это показывает, что три замены аминокислот современного человека в белках, известных как KIF18a и KNL1, ответственны за меньшее количество ошибок в распределении хромосом – по сравнению с моделями неандертальцев и шимпанзе.
«Наше исследование предполагает, что некоторые аспекты эволюции и функционирования мозга современного человека могут не зависеть от размера мозга, поскольку у неандертальцев и современных людей мозг одинакового размера. Полученные данные также свидетельствуют о том, что хромосомные ошибки могли больше повлиять на работу мозга неандертальцев, чем у современных людей», — заключает Виланд Хаттнер, один из руководителей исследования. И добавляет, что необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, влияет ли снижение частоты ошибок на черты современного человека, связанные с работой мозга.
[Фото: Felipe Mora-Bermúdez / MPI-CBG]
Автор Татьяна Матвеева
аминокислоты
деление клеток
неандертальцы
современный человек
стволовые клетки
хромосомы
Источник:
www.
mpi-cbg.de
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
НАУКА ДЕТЯМ
Ученые создали фильтр из яичного белка для очистки морской воды от микропластика
15:00 / Экология
Разработка Пермского Политеха поможет выращивать кожу
14:00 / Медицина
«Не на себя пчела работает». Как пчелы помогают людям?
13:00 / Биология
Химики СПбГУ объяснили связь состава и свойств наноматериалов для инновационной медицины
12:00 / Химия
Ученые раскрыли «электрический язык» клеток рака молочной железы
11:00 / Медицина
Михаил Кирпичников переизбран академиком-секретарем отделения биологических наук РАН
10:30 / Наука и общество
Творец луноходов.
Более века назад родился советский инженер-конструктор Георгий Бабакин
10:00 / Космонавтика
Объявлен старт 68-й Российской антарктической экспедиции
14:00 / География, Науки о земле
Ученые Пермского Политеха увеличили срок жизни зеркальной системы
12:00 / Инженерия
Президент ИМЭМО РАН Александр Дынкин переизбран на должность академика-секретаря отделения глобальных проблем и международных отношений РАН
10:30 / Экономика, Общее собрание РАН 2022
Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008
04.03.2019
Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002
04.03.2019
Вспоминая Сергея Петровича Капицу
14.02.2017
Смотреть все
Человек разумный обогнал неандертальцев по нейронам
Генетические отличия помогли человеку разумному получить больше нейронов в кору головного мозга.
Почему мозг человека больше, чем мозг обезьян? Потому что в нём больше клеток. Любые клетки в зрелом организме возникли в ходе индивидуального развития из стволовых клеток-предшественников: стволовые клетки делятся, и их потомки постепенно приобретают специализацию и становятся клетками эпителия, клетками мышц, нейронами и т. д.
Череп современного человека (слева) и череп неандертальца. (Фото: Rowan Miller/ Flickr.com)
Открыть в полном размере
‹
›
Но стволовые клетки могут делиться медленно или быстро, долго или недолго. Вероятно, в человеческом мозге так много клеток получается оттого, что клетки-предшественники в нём делятся особенно активно. Один из генов, который управляет стволовыми клетками, называется ARHGAP11B. Он есть только у людей; точнее, у других млекопитающих он тоже есть, но в другой версии. Мы про него уже как-то рассказывали: в 2016 году сотрудники Института молекулярной и клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка опубликовали статью, в которой говорилось, что человеческий ARHGAP11B заставляет стволовые клетки развивающегося мозга делиться особенно активно.
И что если ARHGAP11B пересадить мышам, в мышином мозге станет в два раза больше нейронов и у них даже начнут формироваться извилины (а у грызунов от природа извилин в мозге нет).
Но ARHGAP11B есть не только у человека разумного, его нашли также в геноме неандертальца и человека денисовского — ещё двух видов из рода Homo, которые когда-то жили бок о бок с Homo sapiens. Если сравнивать мозг человека разумного с мозгом неандертальца, то по размеру они будут примерно одинаковы, но форма будет отличаться (форму неандертальского мозга можно оценить по форме черепа). И вот те же самые исследователи решили подробнее изучить другой ген, TKTL1, который активен преимущественно в клетках-предшественниках, из которых образуются нейроны коры мозга. В нашем TKTL1 есть одна мутация, которая отличает его от неандертальской версии гена и от TKTL1
всех остальных зверей.
С человеческой версией TKTL1
сделали то же, что в своё время сделали с ARHGAP11B — пересадили мышам.
В итоге у мышей появилось заметно больше клеток-предшественников для корковых нейронов, соответственно, появилось и больше самих зрелых нейронов. Складок на поверхности мозга, правда, не появилось, но зато они появились у хорьков, которым тоже пересадили человеческий TKTL1. У самих хорьков есть в коре есть небольшие складки, но с пересаженным TKTL1 они стали глубже.
Эксперименты с эмбриональными клетками человека дали те же результаты — в культуре клеток, у которых TKTL1
отключали, образовывалось меньше предшественников для корковых нейронов. Когда из эмбриональных клеток сделали мозговой органоид (микроскопическую трёхмерную модель мозга), то и в таком органоиде число клеток-предшественников для нейронов коры зависело от того, какая версия TKTL1 в нём работает.
Ген TKTL1
кодирует фермент, управляющий синтезом жирных кислот. Если жирных кислот будет мало, клетке будет трудно делиться — ведь они нужны как для наружной клеточной мембраны, так и для бесчисленных внутриклеточных органоидов.
Очевидно, мутантный TKTL1 человека разумного обеспечивает делящиеся клетки большим количеством жирных кислот, нежели те версии TKTL1, которые были у неандертальцев и которые есть у других млекопитающих.
С большой долей уверенности можно предположить, что благодаря своему TKTL1 человека разумный получил развитую кору мозга — более развитую, чем у неандертальца, что сказалось на общей форме мозга, которую мы сравниваем у Homo sapiens и Homo neanderthalensis. Правда, если говорить более корректно, то TKTL1 был одним из тех генов, которые сделали человеческий мозг таким большим и умным. В нашем геноме есть и другие гены, влияющие на развитие мозга и чьи версии отличаются от неандертальских. Если мы хотим как можно полнее понять эволюцию человеческого мозга, нужно по возможности учитывать все молекулярно-генетические факторы.
Результаты исследований опубликованы в Science.
В чем разница между мозгом человека и неандертальца? | Умные новости
Череп неандертальца, или Homo neanderthalensis
Географические фотографии / Universal Images Group через Getty Images
Когда около 300 000 лет назад на Земле появились первые человека разумного , они были не единственными людьми, бродившими по земле.
Наши предки были одним из примерно девяти ранних человеческих видов, живших в то время, и одним из по крайней мере 21 человеческого вида, когда-либо существовавшего, хотя точное число обсуждается.
Так почему, спрашивали ученые, Homo sapiens единственные, кто все еще здесь? В конце концов, у наших родственников неандертальцев мозг был такого же размера, как у нас, но они вымерли около 40 000 лет назад.
«[Неандертальцы] жили в Европе задолго до нас и должны были быть адаптированы к окружающей среде, включая патогены. Главный вопрос заключается в том, почему мы сможем превзойти их в конкурентной борьбе», — говорит Лоран Нгуен, нейробиолог из Льежского университета в Бельгии.0002 Хранитель Ханна Девлин.
На протяжении многих лет ученые предлагали и отвергали различные ответы, говорит Крис Стрингер, глава отдела исследований происхождения человека в Лондонском музее естественной истории, на Guardian : «лучшие инструменты, лучшее оружие, правильный язык, искусство и символизм, лучший мозги.
»
В новом исследовании, опубликованном в пятницу в журнале Science , может быть найдено решение: мутация гена Homo sapiens , которая способствует развитию большего количества нейронов в неокортексе — области мозга, участвующей в когнитивной функции.
Современная человеческая версия гена, называемая TKTL1, отличается от неандертальской версии только одним из аминокислотных строительных блоков . Эта замена обнаружена практически у всех современных людей, но, согласно исследованию, у вымерших архаичных людей, неандертальцев, денисовцев и других приматов мутация отсутствует.
«Мы обнаружили один ген, который, безусловно, делает нас людьми», — говорит соавтор Виланд Хаттнер, нейробиолог из Института молекулярно-клеточной биологии и генетики им. Макса Планка.0002 New York Times ’ Карл Циммер.
В новом исследовании исследователи вводили как неандертальскую версию TKTL1, так и человеческую версию в мозг развивающихся мышей и хорьков.
Животные, получившие ген неандертальца, производили меньше клеток-предшественников, дающих начало нейронам.
Затем команда удалила ген TKTL1 в ткани головного мозга плода человека. Это имело тот же результат: меньше клеток-предшественников. В последнем эксперименте они использовали органоиды мозга или выращенные в лаборатории мини-структуры мозга, созданные из стволовых клеток человека. Когда они вставили неандертальскую версию гена в эти ткани, произошла та же картина.
Это открытие «на самом деле является прорывом», — рассказала Родриго Перес Ортега из Science Бриджит Мальгранж, специалист по нейробиологии развития из Льежского университета, которая не участвовала в исследовании. «Единственная замена аминокислоты очень, очень важна и приводит к невероятным последствиям для мозга».
Несмотря на то, что мозг с большим количеством нейронов не означает автоматически более высокий интеллект, результаты, по-видимому, указывают на сдвиг в проводке мозга, который, возможно, дал Homo sapiens когнитивное преимущество, согласно Times .
Одна только эта разница аминокислот, вероятно, не объясняет, что делает наш мозг уникальным, говорят исследователи. Предыдущие исследования выявили 96 различий между геномом человека и генома неандертальцев, которые изменяют структуру белка согласно Times . Другие ученые исследуют эти различия.
«Я не думаю, что это конец истории», — говорит Нгуен Times . «Я думаю, что необходимо больше работы, чтобы понять, что делает нас людьми с точки зрения развития мозга».
Рекомендуемые видео
Исследование выявило поразительные различия в мозге современных людей и неандертальцев | Неандертальцы
Неандертальцы долгое время изображались как наши тупые и бандитские родственники. Новаторские исследования, хотя и не подтвердили стереотип, выявили поразительные различия в развитии мозга современных людей и неандертальцев.
Исследование включало введение гена мозга неандертальца мышам, хорькам и структурам «мини-мозга», называемым органоидами, выращенными в лаборатории из стволовых клеток человека.
Эксперименты показали, что неандертальская версия гена была связана с более медленным созданием нейронов в коре головного мозга во время развития, что, по словам ученых, может объяснить превосходные когнитивные способности современных людей.
«Создание большего количества нейронов закладывает основу для более высокой когнитивной функции», — сказал Виланд Хаттнер, который руководил работой в Институте молекулярно-клеточной биологии и генетики им. Макса Планка. «Мы думаем, что это первое убедительное доказательство того, что современные люди были когнитивно лучше, чем неандертальцы».
Современные люди и неандертальцы разделились на отдельные линии примерно 400 000 лет назад, при этом наши предки остались в Африке, а неандертальцы двинулись на север, в Европу. Около 60 000 лет назад массовая миграция современных людей из Африки снова столкнула эти два вида лицом к лицу, и они скрестились — живущие сегодня люди неафриканского происхождения несут 1-4% ДНК неандертальца. Однако 30 000 лет назад наши древние родственники исчезли как отдельный вид, и вопрос о том, как мы превзошли неандертальцев, остался загадкой.
«Один конкретный факт заключается в том, что куда бы ни пошли homo sapiens, они практически превзошли там другие виды. Это немного странно», — сказал профессор Лоран Нгуен из Льежского университета, который не участвовал в последних исследованиях. «Эти ребята [неандертальцы] жили в Европе задолго до нас и должны были быть адаптированы к окружающей среде, включая патогены. Большой вопрос заключается в том, почему мы смогли бы превзойти их в конкуренции».
Некоторые утверждают, что наши предки обладали интеллектуальными преимуществами, но до недавнего времени не было возможности научно проверить эту гипотезу. Это изменилось в последнее десятилетие, когда ученые успешно секвенировали ДНК неандертальца из окаменелого фрагмента пальца ноги, найденного в сибирской пещере, что проложило путь к новому пониманию того, чем биология неандертальца отличалась от нашей.
Последние эксперименты сосредоточены на гене TKTL1, участвующем в формировании нейронов в развивающемся мозге.
Неандертальская версия гена отличается от человеческой на одну букву. При введении мышам ученые обнаружили, что неандертальская разновидность привела к образованию меньшего количества нейронов, особенно в лобных долях мозга, где сосредоточено большинство когнитивных функций. Ученые также проверили влияние гена на хорьков и кусочки выращенной в лаборатории ткани, называемые органоидами, которые воспроизводят основные структуры развивающегося мозга.
«Это показывает нам, что, хотя мы не знаем, сколько нейронов было в мозгу неандертальца, мы можем предположить, что у современных людей больше нейронов в лобной доле мозга, где активность [гена] самая высокая, чем у неандертальцев, — сказала Аннелин Пинсон, первый автор исследования.
Крис Стрингер, глава отдела исследований происхождения человека в Музее естественной истории в Лондоне, назвал эту работу «новаторской», заявив, что она начала решать одну из центральных загадок эволюции человека — почему, при всем многообразии людей в прошлом? , теперь мы одни остались.