Каждое человеческое лицо — результат сложной генетической программы, в которой задействованы сотни регуляторных участков ДНК. Но понять, как именно формируются наши черты, можно не только изучая современную биологию. Важные подсказки дают древние родственники Homo sapiens. Новые данные о ДНК неандертальцев помогают исследователям реконструировать механизмы, управляющие развитием челюсти и лица в целом — и показывают, почему лица неандертальцев были настолько массивными.
Команда из Института генетики и рака Эдинбургского университета изучила участок генома, связанный с формированием нижней челюсти. Результаты, опубликованные в Development, указывают: регуляторная область ДНК неандертальцев активирует ключевой ген развития лица сильнее, чем ее человеческий аналог. Это помогает объяснить более крупные и выдающиеся челюсти наших древних родственников.
Руководитель исследования, Ханна Лонг, говорит, что работа началась с анализа древней ДНК, выделенной из костей неандертальцев.
"Геном неандертальца на 99,7% идентичен геному современных людей, и различия между видами, вероятно, ответственны за изменение внешности", — сказала Лонг.
Исследователи искали отличия в области, связанной с последовательностью Пьера Робина — синдромом, при котором нижняя челюсть развивается слишком маленькой.
Анализ выявил, что в регуляторном участке длиной около 3000 букв есть лишь три однобуквенных различия между Homo sapiens и неандертальцами. Хотя этот фрагмент ДНК не кодирует белки, он управляет активностью важного гена SOX9 — одного из "дирижёров" формирования лицевой области.
Чтобы проверить влияние этих отличий, ученые использовали данио-рерио — вид рыб, часто применяемый в биомедицине. В их ДНК вставили две версии регуляторной области: человеческую и неандертальскую. Рыбье эмбриональное развитие сопровождали маркерами флуоресцентных белков — они загорались в тех клетках, где регуляторная последовательность была активна.
Выяснилось, что обе версии включаются в клетках, формирующих нижнюю челюсть, но неандертальский вариант работает заметно сильнее.
"Было очень волнительно, когда мы впервые наблюдали активность в развивающейся морде данио-рерио в определенной популяции клеток, близкой к развивающейся челюсти, и еще больше, когда мы заметили, что специфичные для неандертальцев различия могут изменять ее активность в развитии", — подчеркнула Лонг.
| Признак | Homo sapiens | Неандертальцы |
| Размер нижней челюсти | Умеренный | Более крупный |
| Надбровные дуги | Слабо выражены | Сильно развиты |
| Ген SOX9 | Активируется умеренно | Активируется интенсивнее |
| Форма лица | Более плоская | Более выступающая |
Повышенная активность SOX9 влияет на площадь и распределение клеток, участвующих в формировании челюсти. Чтобы проверить, насколько это важно, учёные дополнительно активировали SOX9 в эмбрионах данио-рерио. Клетки, участвующие в росте нижней челюсти, заняли больше пространства, подтверждая: усиление регуляции действительно приводит к анатомическим изменениям.
Секвенируют древний геном и вычленяют регуляторные области.
Сравнивают их с человеческими последовательностями.
Выделяют минимальные изменения одной-двух букв.
Создают генетические конструкции для моделирования на данио-рерио.
Маркируют активность флуоресцентными белками.
Наблюдают, какие клетки активируют ген и как это влияет на развитие.
Несколько букв в ДНК могут менять не только черты лица древних видов, но и индивидуальные особенности современных людей. Исследование показывает: вариации в регуляторных областях могут объяснить как наследственные особенности, так и аномалии развития.
Лонг отмечает, что это позволит точнее диагностировать генетические заболевания, связанные с формированием лица.
| Плюсы | Минусы |
| Помогают понять эволюцию внешности | Сложно точно предсказать эффект каждой мутации |
| Объясняют анатомические различия видов | Требуют сложных моделей и экспериментов |
| Используются в медицине и диагностике | Доступ к древней ДНК ограничен |
| Позволяют изучать развитие в динамике | Не всегда дают прямые клинические выводы |
Почему использовали данио-рерио, а не млекопитающих?
У рыбы прозрачен эмбрион, что позволяет визуально отслеживать работу генов в реальном времени.
Все ли различия между человеком и неандертальцем связаны с регуляторными элементами?
Нет, но регуляторные области играют ключевую роль в морфологии лица.
Можно ли воссоздать лицо неандертальца по его геному?
Полностью — нет, но подобные исследования помогают понять общие принципы и особенности.
2010-е — секвенированы первые полные геномы неандертальцев.
2020-е — появились методы точного сравнения регуляторных областей.
Сегодня — учёные используют палеогеномику для понимания вариаций лица.