Un eveniment întâmplător de acum un milion de ani a schimbat creierul uman pentru totdeauna

Asemenea unor rețete prețioase transmise din generație în generație, există anumite regiuni ale ADN-ului pe care evoluția nu îndrăznește să le modifice. Mamiferele de pretutindeni au în comun o varietate de astfel de secvențe codificate, de exemplu, care au rămas neatinse timp de milioane de ani.

Oamenii sunt o excepție ciudată de la acest club. Dintr-un motiv oarecare, rețete păstrate de mult timp de strămoșii noștri străvechi au fost brusc „condimentate” într-o scurtă perioadă de timp evolutiv.

Deoarece suntem singura specie la care aceste regiuni au fost rescrise atât de rapid, ele sunt numite „regiuni accelerate umane” (sau HAR). Mai mult, oamenii de știință cred că cel puțin unele HARs ar putea sta la baza multor calități care îi diferențiază pe oameni de rudele lor apropiate, precum cimpanzeii și bonobo, potrivit sciencealert.com.

Condusă de biologul computațional Katie Pollard, director al Institutului Gladstone de Știință a Datelor și Biotehnologie din SUA, o echipă de cercetători a identificat HAR-urile în urmă cu aproape două decenii, în timp ce a comparat genomurile umane și ale cimpanzeilor.

Într-un nou studiu, echipa lui Pollard a descoperit că plierea 3D a ADN-ului uman în nucleu este un factor cheie în acest moment crucial pentru specia noastră.

Imaginați-vă o bucată de ADN de la ultimul nostru strămoș comun cu cimpanzeii ca o eșarfă lungă înfășurată în jurul gâtului, cu dungi de diferite culori care îi traversează țesătura pe toată lungimea sa.

Acum, imaginați-vă că cineva a încercat să facă exact aceeași eșarfă, dar nu a respectat întocmai modelul original. Unele dungi sunt mai înguste, altele mai late, iar unele prezintă culorile într-o ordine diferită față de original.

Când înfășurați noua eșarfă în jurul gâtului în același mod ca și originalul, dungile care stau una lângă alta în buclă nu mai sunt aceleași.

Ca și în cazul acestei eșarfe, o mare diferență între ADN-ul uman și cel al cimpanzeilor este structurală: bucăți mari din elementele constitutive ale ADN-ului au fost inserate, șterse sau rearanjate în genomul uman. Astfel, ADN-ul uman se pliază diferit în nucleu în comparație cu ADN-ul altor primate.

Echipa lui Pollard a investigat dacă aceste modificări structurale ale ADN-ului uman și plierea sa modificată în 3D ar fi putut duce la „deturnarea” anumitor gene din cadrul HAR-urilor, legându-le de gene care codifică proteine diferite de cele la care au fost aplicate inițial.

Multe gene din cadrul HAR-urilor sunt legate de alte gene, acționând ca potențatori (ceea ce înseamnă că acestea cresc transcrierea genei/genelor legate).

Exemplu de deturnare a unui amplificator HAR

„Amplificatorii pot avea un impact asupra activității oricărei gene care ajunge în apropiere, care poate varia în funcție de modul în care este pliat ADN-ul”, a spus Pollard.

Într-un studiu publicat la începutul acestui an, echipa lui Pollard a creat un model care sugerează că variațiile rapide care apar în HARs la primii oameni se opuneau adesea una alteia, transformând activitatea unui enhancer în sus și în jos într-un fel de reglaj genetic fin – un model susținut de noua lor cercetare.

Pentru cel mai recent studiu al lor, echipa a comparat genomurile a 241 de specii de mamifere, folosind învățarea automată pentru a face față unei cantități mari de date.

Aceștia au identificat 312 HAR-uri și au examinat unde se află acestea în „vecinătățile” 3D ale ADN-ului pliat. Aproape 30 la sută dintre HAR-uri se aflau în regiunile de ADN în care variațiile structurale au făcut ca genomul să se plieze diferit la om în comparație cu alte primate.

Echipa a descoperit, de asemenea, că vecinătățile care conțin HAR-uri erau bogate în gene care diferențiază oamenii de rudele noastre cele mai apropiate, cimpanzeii.

Într-un experiment care a comparat ADN-ul din celulele stem umane și cimpanzee în creștere, o treime din HAR-urile identificate au fost transcrise în mod specific în timpul dezvoltării neocortexului uman.

Multe HAR-uri joacă un rol în dezvoltarea embrionară, în special în formarea căilor neuronale asociate cu inteligența, cititul, abilitățile sociale, memoria, atenția și concentrarea – trăsături despre care știm că sunt net diferite la oameni față de alte animale.

În HAR-uri, este posibil ca aceste gene potențatoare, neschimbate timp de milioane de ani, să fi trebuit să se adapteze la genele lor țintă și la domeniile de reglementare diferite.

„Imaginați-vă că sunteți un enhancer care controlează nivelul hormonilor din sânge, iar apoi ADN-ul se pliază într-un mod nou și, dintr-o dată, stați lângă o genă de neurotransmițător și trebuie să reglați nivelurile chimice din creier în loc de cele din sânge”, a spus Pollard.

„Se întâmplă ceva important, cum ar fi această schimbare masivă în plierea genomului, iar celulele noastre trebuie să o repare rapid pentru a evita un dezavantaj evolutiv”.

Nu înțelegem încă exact cum anume aceste modificări au influențat aspecte specifice ale dezvoltării creierului nostru și cum au devenit parte integrantă din ADN-ul speciei noastre. Deși Pollard și echipa sa plănuiesc deja să aprofundeze aceste întrebări.

Dar cercetările lor de până acum arată cât de unică – și improbabilă – este cu adevărat evoluția creierului uman.