פרופסור Soojin Yi של אוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה ועמיתיו שאפו לקבוע כיצד גנים בסוגים שונים של תאי מוח התפתחו בהשוואה לאלו שבשימפנזים. הם גילו שבעוד שהגנים שלנו מקודדים כמעט לכל אותם חלבונים כמו קופי אדם אחרים, רבים מהגנים שלנו פרודוקטיביים הרבה יותר מאלה של פרימטים אחרים.
ביטוי גנים דיפרנציאלי במוח האנושי בהשוואה למוחות פרימטים לא אנושיים הוא מאפיין מולקולרי מרכזי של האבולוציה האנושית. ג'ושיet al. מראים שביטוי גנים דיפרנציאלי של מוחות אנושיים מקיף קבוצות שונות מאוד של שינויים ספציפיים לסוג תא. למרות מגוון תאי כזה, תאי מוח אנושיים חוו עלייה כללית של ביטוי גנים ולא ירידה בביטוי גנים. המחברים חושפים תוכניות פונקציונליות ספציפיות שחוו ביטוי דיפרנציאלי בסוגי תאים שונים ותכונות גנומיות ואפיגנומיות המתואמות עם שינויים כאלה.
כשמדענים החלו להבין את תפקיד הגנום כתוכנית החיים, הם חשבו שאולי הגנום האנושי יכול להסביר את התכונות הייחודיות שלנו.
אבל השוואה יסודית עם שימפנזים ב-2005 גילתה שאנחנו חולקים 99% מהגנים שלנו - למרות שמדענים שינו את המספר הזה מאז.
זה אישר מחקרים קודמים המבוססים על מספר קטן של גנים שהצביעו על הבדל קטן בלבד בין הגנום האנושי והשימפנזה.
כעת חושדים ביולוגים שביטוי גנים עשוי לעמוד בבסיס ההבדלים הללו. שקול פרפר מונרך. למבוגר יש את אותו גנום כמו כשהיה זחל. ההבדלים המדהימים בין שני שלבי החיים מסתכמים כולם בביטוי גנים. הפעלה וכיבוי של גנים שונים, או קידוד של יותר או פחות mRNA, יכול לשנות באופן דרסטי את תכונות האורגניזם.
מקבל תמונה ברורה יותר
מחקרים קודמים מצאו הבדלים בביטוי הגנים בין בני אדם לשימפנזים, ושתאים אנושיים נוטים לביטוי גנים גבוה יותר, אך התמונה הייתה מטושטשת.
המוח מורכב מזנים רבים של תאים.
באופן מסורתי, מדענים ארגנו תאי מוח לשני סוגים עיקריים: נוירונים ותאי גליה.
נוירונים נושאים אותות אלקטרוכימיים, קצת כמו חיווט הנחושת בבניין.
תאי גליה מבצעים את רוב הפונקציות האחרות, כגון בידוד החוטים, תמיכה במבנה ופינוי פסולת.
עד לאחרונה, מדענים יכלו לחקור רק דגימות רקמה בתפזורת המורכבת מסוגים רבים ושונים של תאים. אבל בעשור האחרון, זה הפך להיות אפשרי לבחון גרעיני תאים אחד בכל פעם.
זה מאפשר לחוקרים להבחין בין סוגי תאים, ולעתים קרובות אפילו תת-סוגים.
פרופסור Yi ומחברים שותפים השתמשו במערכי נתונים שנוצרו ממכשיר בעל ערוץ צר מאוד כדי להפריד כל גרעין לתא משלו במערך.
לאחר מכן הם קיבצו את התאים לפי סוג לפני ביצוע ניתוח סטטיסטי
הם מדדו את ביטוי הגנים על ידי התבוננות בכמות ה-mRNA של גן ספציפי המיוצר בבני אדם, שימפנזים ומקוקים.
גן מווסת מעלה מייצר יותר mRNA במין נתון בהשוואה לאחרים, בעוד שגן מווסת מייצר פחות.
השוואת שימפנזים ובני אדם למקוקים אפשרה לחוקרים לדעת מתי ההבדלים בין שני הקופים נובעים משינויים בשימפנזים, שינויים בבני אדם או שניהם.
המחברים רשמו הבדלים בביטוי של כ-5-10% מ-25,000 הגנים במחקר.
באופן כללי, לתאים אנושיים היו גנים מווסתים יותר בהשוואה לשימפנזים.
זהו אחוז גדול בהרבה ממה שחוקרים גילו כאשר לא הצליחו לפרק את הניתוח לפי סוג תא. והאחוז גדל ל-12-15% כאשר המחברים החלו לשקול תת-סוגי תאים.
"עכשיו אנחנו יכולים לראות שלסוגי תאים בודדים יש נתיב אבולוציוני משלהם, והם הופכים להתמחות באמת", אמר פרופסור יי.
לא רק נוירונים
המורכבות של המסלולים העצביים שלנו היא ללא תחרות בממלכת החיות. עם זאת, החוקרים חושדים שהאינטלקט הייחודי שלנו אינו תוצאה של זה בפני עצמו.
תאי גליה אנושיים מהווים יותר ממחצית התאים במוח שלנו, אחוז גדול בהרבה מאשר אפילו בשימפנזים.
בין תאי גליה, אוליגודנדרוציטים הראו את ההבדלים הגדולים ביותר בביטוי הגנים. תאים אלה יוצרים את הבידוד שמצפה את הנוירונים, ומאפשר לאותות החשמליים שלהם לנוע הרבה יותר מהר ויעילה.
במחקר שיתופי שפורסם בשנה הקודמת, המדענים הבחינו כי לבני אדם יש יחס גבוה יותר של קודמים לעומת אוליגודנדרוציטים בוגרים בהשוואה לשימפנזים.
הם חושדים שזה עשוי להתייחס לפלסטיות העצבית המדהימה ולהתפתחות האיטית של המוח האנושי.
"המורכבות המוגברת של הרשת העצבית שלנו כנראה לא התפתחה לבדה", אמר פרופסור יי.
"זה לא יכול היה להתקיים אלא אם כל סוגי התאים האחרים האלה גם התפתחו ויאפשרו את הרחבת מגוון הנוירונים, מספר הנוירונים ומורכבות הרשתות."
הממצאיםפורסמו ב-הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.
_____
דניס ג'ושיet al. 2024. התפתחות רגולטורית מואצת של המוח האנושי.PNAS121 (52): e2411918121; doi: 10.1073/pnas.2411918121
מאמר זה הותאם מתוך מהדורה מקורית על ידי אוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה.
