Гібридні мавпа-людські клітини допомогли побачити відмінності в активності одних і тих же генів у нас і у шимпанзе.
Шимпанзе - наші найближчі родичі, геноми людини і шимпанзе збігаються приблизно на 99%. Проте, навряд чи хтось хоч на мить не може відрізнити людину від шимпанзе. Однопроцентна відмінність за ДНК виявляється досить істотною. І справа тут не стільки в якихось особливих генах або мутаціях, які є у нас і яких немає у шимпанзе. Справа в особливих регуляторних ділянках у ДНК, які керують генетичною активністю.
Такі регуляторні ділянки самі не кодують жодних білків і жодних службових РНК. Але зате вони впливають на те, скільки білка або РНК буде виходити з того чи іншого гена. Відмінності між шимпанзе і людьми багато в чому обумовлені тим, що одні і ті ж гени без будь-яких особливих мутацій працюють у нас і у них з різною інтенсивністю або з різним розкладом. Тобто варто зосередитися на відмінностях, які ховаються в регуляторних елементах.
Ці елементи бувають різні. Одні здатні впливати на гени, які відстоять далеко, і навіть дуже далеко від них - часто навіть на іншій хромосомі. Вони називаються транс-регуляторні елементи, і зазвичай керують відразу багатьма генами. У близькоспоріднених видів вони працюють зазвичай однаково. Інші - цис-регуляторні елементи, вони керують тим геном, який сидить на ДНК тут же, поруч з ними. І в разі близькоспоріднених видів відмінності між ними часто бувають обумовлені саме відмінностями в ціс-елементах.
Дослідники зі Стенфорда вивчали відмінності в ціс-елементах ДНК у людини і шимпанзе. Але вивчали вони їх за допомогою досить своєрідного методу. Спочатку зрілі людські і мавпи клітини перетворювали на стовбурові - виходили так звані індуковані плюрипотентні стовбурові клітини, які за властивостями були схожі на клітини ембріона: вони могли нескінченно ділитися і були здатні перетворюватися на будь-який інший тип клітин. Потім ці штучні стовбурові клітини з'єднували разом, так що виходили гібридні стовбурові клітини, в яких одночасно була ДНК людини і ДНК шимпанзе.
Так робили для того, щоб геном людини і геном шимпанзе знаходився в однаковому клітинному оточенні. Справа в тому, що якщо ми хочемо вивчати активність генів у різних видів, то потрібно враховувати, що активність ця змінюється в часі. У дитинстві наші гени працюють інакше, ніж у старості. Притому потрібно не забувати, що різні організми, нехай і близькоспоріднені, можуть розвиватися, дорослішати і старіти з різною швидкістю. І якщо ми бачимо, що якісь гени у шимпанзе працюють інакше, ніж у людини, то потрібно переконатися, що вони працюють в принципі інакше, а не через неспівпадаючі вікові особливості.
Крім цього, є й інші фактори, які заважають побачити роль регуляторних ціс-елементів. І ось щоб впоратися з усіма такими факторами, клітини шимпанзе і клітини людини об'єднували в одну. Далі їх підштовхували в бік нервової спеціалізації - з них повинні були вийти клітини мозку.
Але і цим справа не обмежувалася: гібридні стовбурові клітини росли в умовах, коли вони могли утворити невелику клітинну сферу, яка частково імітує дуже маленький шматочок мозку, точніше, його кори. Коли клітина включена в тривимірну структуру, коли у неї з різних сторін є сусіди, з якими вона обмінюється інформацією, то і гени у неї будуть працювати подібно до того, як якщо б вони працювали в справжньому органі.
Сфери-органоїди зі стовбурових клітин імітували найбільш ранні стадії розвитку мозку. За 200 днів, поки вони росли, дослідники виявили відмінності в активності тисяч генів (тобто в одній і тій же гібридній клітці гени мавп і такі ж гени людей працювали по-різному). Всі ці відмінності були обумовлені особливостями ціс-регуляторних елементів.
У статті в Nature детально обговорюється один з генів, SSTR2, який набагато більш активний в людських нейронах. SSTR2 кодує рецептор до нейромедіатора соматостатину. Людські нейрони дійсно більш чутливі до соматостатину, ніж нейрони шимпанзе. Через більш активний SSTR2 людські нейрони працюють інакше; можливо, когнітивна різниця між людиною і шимпанзе виникає багато в чому через SSTR2. До речі, SSTR2 пов'язаний з психоневрологічними хворобами, такими як шизофренія і хвороба Альцгеймера. Не виключено, що це побічні ефекти його підвищеної активності.
Подібний експеримент поставили з об'єднаними стовбуровими клітинами, яких направили розвиватися в бік лицьових кісток і хрящів. Тут теж вдалося виявити ряд генів, які працювали по-різному, і серед них особливу увагу привернув EVC2, який у шимпанзе був в шість разів активніше. Від EVC2 залежить цілих 25 рис обличчя; але якщо говорити в цілому, то менш активний EVC2 робить обличчя (або морду) більш плоским.
Однак в даному випадку важливо не стільки те, що авторам роботи вдалося вказати на ті чи інші гени, скільки поява нового методу, який дозволяє порівнювати роботу генів і їх регуляторних елементів як вони є, не боячись впливу якихось сторонніх факторів. Дослідники поки не говорять про конкретні особливості регуляторних ціс-елементів, проте їх метод дозволяє точно вказати на ті гени, які працюють по-різному саме через таких регуляторів.
Далі можна шукати конкретні молекулярні особливості в їх роботі: це допоможе не тільки краще зрозуміти, як еволюціонувала людина, але і що робити з різними захворюваннями, які ми придбали в ході еволюції і яких немає у інших тварин.