Всего три буквы в ДНК — и вот он, секрет огромных лиц наших вымерших родственников

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.

Что сделали учёные

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.

Миниатюрные различия — большой эффект

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.

Сравнение: особенности челюсти Homo sapiens и неандертальцев

Ген SOX9 под увеличением

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.

Как учёные проводят подобные исследования: шаг за шагом

1. Секвенируют древний геном и вычленяют регуляторные области.

2. Сравнивают их с человеческими последовательностями.

3. Выделяют минимальные изменения одной-двух букв.

4. Создают генетические конструкции для моделирования на данио-рерио.

5. Маркируют активность флуоресцентными белками.

6. Наблюдают, какие клетки активируют ген и как это влияет на развитие.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: считать, что регуляторные области ДНК влияют меньше, чем гены.
  → Нарушение понимания механизмов развития.
  → Альтернатива: анализировать не только гены, но и их "включатели".
• Ошибка: полагать, что небольшие мутации незначительны.
  → Пропуск ключевых факторов эволюции.
  → Альтернатива: учитывать даже однонуклеотидные изменения.
• Ошибка: игнорировать данные вымерших видов.
  → Ограниченная картина происхождения человеческих черт.
  → Альтернатива: интегрировать палеогеномику в современные исследования.

А что если такие различия встречаются и у современных людей?

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 и минусы изучения регуляторных областей ДНК

FAQ

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.

Интересные факты

• В геноме человека до 2% ДНК — следы скрещивания с неандертальцами.
• Развитие лица закладывается на очень ранних стадиях эмбриогенеза.
• SOX9 участвует также в формировании хрящей и костей у позвоночных.

Исторический контекст

2010-е — секвенированы первые полные геномы неандертальцев.

2020-е — появились методы точного сравнения регуляторных областей.

Сегодня — учёные используют палеогеномику для понимания вариаций лица.