Genetyczne podłoże neurobiologicznych różnic pomiędzy neandertalczykiem a Homo sapiensCzas czytania: 6 min

Biologia ewolucyjna oraz antropologia od lat starają się prześledzić historię pochodzenia i rozwoju człowieka. Za ostatni jak do tej pory i uważany za jeden z najważniejszych okresów w procesie rozwoju człowieka jest przedział czasowy pomiędzy 40 a 60 tysięcy lat temu, kiedy to nastąpiła wyraźna ekspansja człowieka rozumnego (Homo sapiens) i kiedy to występowały jego ostatnie interakcje z neandertalczykami (Homo neanderthalensis). Obecnie badacze uważają, że wzorce cech anatomicznych lub behawioralnych, którymi opisuje się przedstawicieli gatunku Homo sapiens, są zgodne z wieloma scenariuszami ewolucyjnymi i nie pozwalają na określenie konkretnego punktu w czasie oraz obszaru geograficznego, do którego ograniczałoby się pochodzenie współczesnego człowieka¹.

Różnice neurobiologiczne

Ważną dziedziną nauki, w której zwraca się uwagę na różnice pomiędzy neandertalczykiem a Homo sapiens, jest neurobiologia. Profesor Jerzy Vetulani, neurobiolog, zwraca uwagę, że choć neandertalczyk był silniejszy, szybszy i większy to jednak Homo sapiens miał pewną cechę, która pozwoliła mu zdominować neandertalczyka, czyli kreatywność². Sam Vetulani przypisywał tę różnicę między innymi wykształceniu kory oczodołowo-czołowej (orbitofrontalnej), odpowiedzialnej w szczególności za tworzenie sztuki³. Najnowsze odkrycia badaczy ze Stanów Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i Brazylii, opublikowane na łamach „Science”, rzucają nowe światło na neurobiologiczne różnice pomiędzy neandertalczykiem a Homo sapiens. W swoim artykule zatytułowanym Reintroduction of the Archaic Variant of NOVA1 in Cortical Organoids Alters Neurodevelopment [Ponowne wprowadzenie archaicznego wariantu NOVA1 do organoidów korowych wpływa na rozwój neurologiczny] zwracają uwagę na wyraźne różnice w zakresie rozmiarów, kształtu oraz tekstury pomiędzy organoidami mózgu neandertalczyka a Homo sapiens. Organoidy mózgu są stosunkowo nowym odkryciem w nauce, które niesie za sobą wiele możliwości klinicznych oraz wątpliwości etycznych⁴. Niemniej organoidy mózgu pozwoliły uczonym na zbadanie istotnych różnic pomiędzy centralnym układem nerwowym Homo sapiens oraz neandertalczyka, co może stanowić poważny wkład w biologię ewolucyjną i systemową oraz antropologię.

Funkcjonalne znaczenie genu NOVA1

Badacze zwrócili uwagę, że choć genomy neandertalczyków oraz współczesnych ludzi są bardzo podobne, to jednak zawierają kilka istotnych różnic. Autorzy przeprowadzili analizę genomu człowieka współczesnego oraz neandertalczyka, aby zidentyfikować kilkadziesiąt wariantów genetycznych. W ten sposób zidentyfikowali gen NOVA1 i uznali go za głównego kandydata do analiz funkcjonalnych. Korzystając bowiem z technologii edycji genomu CRISPR-Cas9, wprowadzili archaiczny wariant genu NOVA1 do ludzkich pluripotencjalnych (zdolnych do różnicowania w niemal dowolny typ komórek somatycznych) komórek macierzystych w celu wygenerowania organoidów mózgu. Następnie wykazały one zmiany w ekspresji genów, obróbce potranskrypcyjnej, a także morfologii i synaptogenezie. Archaiczny wariant NOVA1 w organoidach korowych wpływa więc na profile aktywności sieci komórkowej, molekularnej i neuronowej, a zmiany można było zaobserwować na różnych poziomach – od zmienionej proliferacji i różnej ekspresji genów oraz różnych profili obróbki potranskrypcyjnej, aż do zmodyfikowanych synaps glutaminergicznych i zmienionej łączności w sieci neuronowej oraz większej heterogeniczności neuronów pod względem ich profili elektrofizjologicznych⁵.

Jeden nukleotyd – ogromne zmiany

Współczesny allel genu NOVA1 różni się od archaicznego substytucją wyłącznie pojedynczego nukleotydu, co powoduje zmianę izoleucyny na walinę. Jest to mutacja, która jak się okazuje, ma ogromne znaczenie funkcjonalne w rozwoju neuronów, manifestujące się na poziomie fizjologicznym przede wszystkim zmienioną synaptogenezą oraz modyfikacjami sieci neuronowych. Może mieć to jednak znaczenie również na wyższym poziomie, zależnym od funkcjonowania sieci neuronowych, takim jak poznawczy, motoryczny czy sensoryczny. Sami badacze sugerują, że substytucja w NOVA1 mogła mieć istotne funkcjonalne konsekwencje dla ewolucji gatunku ludzkiego oraz zaznaczają, że wykorzystana przez nich metoda może być przydatna do badania innych zmian genetycznych, które leżą u podstaw różnic fenotypowych pomiędzy Homo sapiens a neandertalczykami⁶.

Ariana Remmel, biochemiczka, biolożka molekularna i redaktorka naukowa, komentując to odkrycie na łamach „Nature – News”, zwraca uwagę, że choć tkanki wytworzone w laboratorium są dalekie od prawdziwych reprezentacji mózgów Homo sapiens i neandertalczyka, to jednak wykazują wyraźne różnice w stosunku do ludzkich organoidów na podobnym etapie rozwoju, a wśród różnic, widocznych wręcz gołym okiem, najbardziej uwydatnione są różnice: rozmiaru, kształtu i tekstury. Wynika to najprawdopodobniej z różnic w sposobie wzrostu i namnażania się komórek, bowiem neurony z archaiczną wersją NOVA1 działały w mniej uporządkowany sposób⁷.

Zmiana allelu jednego genu powoduje w organoidach zmianę aktywności aż 277 innych genów. Gray Camp, biolog rozwojowy, twierdzi, że nukleotyd kodujący walinę w obecnej wersji NOVA1 staje się w ten sposób początkiem istotnej kaskady, bez której mózg przestaje funkcjonować w znany nam sposób⁸. Również genetyk ewolucyjny Wolfgang Enard wyraża zdumienie, że tak drobna różnica genetyczna powoduje tak oczywiste i wyraźne zmiany⁸. Suzana Herculano-Houzel, neurobiolożka ewolucyjna, wyraża nadzieję na wykorzystanie technologii CRISPR oraz organoidów mózgu do zapewnienia wglądu w ludzki mózg i zbadania znaczenia innych genów dla rozwoju układu nerwowego człowieka. Twierdzi także, że zrozumienie ścieżki ewolucyjnej, która doprowadziła ludzi do obecnego stanu, może pogłębić wiedzę na temat chorób charakterystycznych dla ludzkiego mózgu⁸.

Podsumowanie

Kiedy omawiane badania się rozpoczynały, już wówczas wyrażano podziw dla tego przedsięwzięcia oraz szczególnie nadzieje na lepsze zrozumienie ludzkiego mózgu oraz ewolucji człowieka⁹. Faktycznie, odkrycia te wnoszą dodatkowe informacje, zarówno do biologii ewolucyjnej, jak i neurobiologii, biologii rozwojowej czy antropologii. Wskazują także, że niewielka różnica genetyczna może być przyczyną kolosalnych i kaskadowych zmian na poziomie fizjologicznym. Prowadzi to także do ponownego zastanowienia się również nad przypadkowością takich zmian w procesie ewolucji. Jest to więc odkrycie, które wnosi bardzo wiele na grunt wielu dyscyplin naukowych.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 21.02.2021