Эволюционный успех нашего вида может быть обусловлен незначительными изменениями биохимии мозга, произошедшими после отделения Homo sapiens от общей с неандертальцами и денисовцами линии около полумиллиона лет назад.
Две небольшие мутации, отличающие современных людей от их древних родственников, влияют на стабильность и генетическую экспрессию аденозинсукцинатлиазы (ADSL). Этот фермент участвует в биосинтезе пурина — одного из фундаментальных строительных блоков ДНК, РНК и других важных биомолекул. Эти изменения могут также влиять на поведение, делая его более разумным. Новое исследование в PNAS проверило эту смелую гипотезу.
«Наше исследование позволило получить подсказки о функциональных последствиях некоторых молекулярных изменений, которые отличают современных людей от их предков», — говорит первый автор работы Сян-Чунь Цзю из Окинавского института науки и технологий (OIST).
Фермент ADSL состоит из цепочки из 484 аминокислот. Современный и древний варианты этого фермента отличаются всего одной аминокислотой: в древней редакции в 429-й позиции стоит аланин, в современной — валин. Как показали эксперименты на мышах, это одно единственное отличие влечет кардинальные последствия для биохимии нескольких органов, в том числе мозга.
Известно, что у людей генетический дефицит ADSL чреват психомоторной задержкой и когнитивными нарушениями. Это побудило исследователей изучить возможные поведенческие эффекты этой замены, для чего лабораторным мышам подредактировали гены и поместили в условия, в которых воду можно получить только ценой ощутимых когнитивных усилий.
Эксперимент, где вода становилась доступной после визуального или звукового сигнала, показал, что самки мышей с человеческой версией ADSL успешнее в утолении жажды. Это говорит о том, что сниженная активность фермента позволила им эффективнее конкурировать за ограниченный ресурс.
Эта аминокислотная замена отсутствует у древних гомининов, но присутствует практически у всех современных людей — то есть она возникла у наших предков уже после отделения от линии неандертальцев и денисовцев, но до миграции из Африки.
«Пока рано напрямую переносить эти результаты на людей, поскольку нейронные цепи мышей сильно отличаются, — подчеркивает Цзю. — Но, возможно, эта замена дала нам эволюционное преимущество в выполнении определенных задач по сравнению с древними людьми».
Еще одно отличие, присутствующее как минимум у 97% современных людей, нашли в некодирующей области гена ADSL. Оно снижает экспрессию РНК ADSL, особенно в мозге — и это неожиданно. Обычно бывает наоборот: ослабление активности фермента компенсируется увеличением его выработки.
«Этот фермент прошел два отдельных этапа отбора, снижающих его активность: сначала через изменение стабильности белка, а затем через уменьшение его экспрессии. Очевидно, эволюционное давление направлено на снижение активности фермента до уровня, обеспечивающего эффекты, которые мы наблюдали у мышей, но при этом сохраняя его достаточно активным, чтобы избежать расстройства, связанного с дефицитом ADSL», — объясняет соавтор Шин-Ю Ли из той же исследовательской группы OIST.
Исследование, как это часто бывает, оставило больше вопросов, чем дало ответов, признал профессор Идзуми Фукунага из группы сенсорной и поведенческой нейронауки OIST.
«Например, непонятно, почему только самки мышей, судя по всему, получили конкурентное преимущество. Поведение — сложная вещь. Эффективное получение воды включает обработку сенсорной информации, обучение действиям, ведущим к вознаграждению, социальные взаимодействия, моторное планирование и многие другие процессы. Каждый из них может затрагивать несколько областей мозга. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять роль ADSL в поведении», — отметил он. «Не так уж много ферментов, на которые повлияли эволюционные изменения у предков современных людей. ADSL — один из них. Мы начинаем понимать последствия некоторых из этих изменений и таким образом собираем воедино картину, как наш метаболизм менялся за последние полмиллиона лет эволюции. Следующим шагом будет изучение эффектов комбинаций этих изменений», — резюмировал профессор Сванте Паабо, руководитель группы эволюционной геномики человека.