Ugradnja ljudskog gena uzrokuje ubrzan evolucijski napredak mozga u primata

Ljudski neokorteks, evolucijski najnoviji i najmlađi dio našega mozga, trostruko je veći od neokorteksa u mozgu čimpanze, našeg najbližeg susjeda na razgranatom stablu evolucije. U ljudskom mozgu se tijekom zadnjih par milijuna godina evolucije stvorilo toliko puno nove kore – neokorteksa – da se površina mozga morala naborati u ono što nazivamo „vijuge“, kako bi se mogla cijela ugurati u ograničeni prostor naše lubanjske šupljine.

Ta vrlo izražena vijugava naboranost korteksa našeg mozga jasan je pokazatelj kako se naš mozak evolucijski daleko brže razvijao nego glava u kojoj se nalazi.  Ali, kako je ljudski neokorteks uspio postati toliko velik u tako (evolucijski) kratkom razdoblju?

Nijemci i Japanci u istraživačkoj kolaboraciji

Svi već znamo da je evolucijski napredak mozga Homo sapiensa povezan s evolucijom čovjekovih kognitivnih sposobnosti (pamćenja, logičkog zaključivanja, vizualno-motoričke koordinacije, razvoja jezika i govora). No, to nam i dalje ne daje odgovor na pitanje koje odavno kopka znanstvenike: „Koja je biološka osnova tako brzog i selektivnog rasta mozga u odnosu na ostatak našeg inače krhkog i nerazvijenog tijela?“.

Potaknuti tim pitanjem, dr. Wieland Huttner i njegov tim s njemačkog Max Planck Instituta za molekularnu staničnu biologiju i genetiku (MPI-CBG) u Dresdenu udružili su mozgove s japanskim kolegama iz Centralnog instituta za eksperimentalne životinje (CIEA) u Kawasakiju i Sveučilišta Keio u Tokiju, pa se dohvatili proučavanja gena nazvanog ARHGAP11-B, koji od svih živih bića postoji samo u ljudi, a uloga mu je da stimulira nerazvijene matične stanice mozga na umnožavanje i sazrijevanje.

Razlika u veličini, obliku i naboranosti korteksa (vijuga) mozgova miša, majmuna i čovjeka
Razlika u veličini, obliku i naboranosti korteksa (vijuga) mozgova miša, majmuna i čovjeka

Taj gen je prvi puta došao u središte znanstvene pozornosti 2015. godine, nakon Huttnerovog laboratorijskog pokusa u kojem je ljudski ARHGAP11-B genetičkim inženjeringom „ugrađen“ u mišje embrije, a potom stimuliran do nefiziološki visokih razina. U mišjim embrijima je ta genetička manipulacija izazvala značajno povećanje mišjeg neokorteksa. Nakon tog otkrića, bilo je samo pitanje vremena kada će se istraživanja s miševa preusmjeriti na proučavanje relevantnosti ARHGAP11-B gena na evoluciju mozga čovjekove „bliže rodbine“, primata i majmuna.

S miševa na primate

I zaista, prije dvadesetak dana je u web-izdanju časopisa Science objavljeno izvješće o novoj studiji, u kojoj su znanstvenici iskoristili ljudski gen za uzgoj većih, evolucijski naprednijih majmunskih mozgova: nakon miševa, ovoga je puta ugradnja ARHGAP11-B gena povećala veličinu mozga i količinu naboranosti moždanih vijuga neokorteksa u fetusima malih majmuna iz roda marmozeta (Callithrix jacchus).

Uz to, aktivnost ljudskog gena je u mozgu majmuna uzrokovala povećanje broja tzv. progenerativnih stanica, onih od kojih nastaju novi neuroni; posebice su se umnožili neuroni gornjeg sloja korteksa (oni koji se povećavaju tijekom evolucije). Cijela debljina kore velikog mozga (kortikalna ploča) također je bila veća nego u mozgovima fetusa običnih marmozeta.

Razlika u veličini marmozetskog fetalnog mozga i količini vijuga između normalnog (lijevo) i stimuliranog ugradnjom ARHGAP11-B gena (desno)
Razlika u veličini marmozetskog fetalnog mozga i količini vijuga između normalnog (lijevo) i stimuliranog ugradnjom ARHGAP11-B gena (desno)

U komentarima o ovoj studiji, znanstvenici uspoređuju dobivene rezultate s evolucijskim zbivanjima koja su se dogodila u mozgu izravnih predaka Homo sapiensa. Po svemu sudeći, ovaj genetski mehanizam (prisustvo i pojačana ekspresija ARHGAP11-B gena na nezrele moždane matične stanice fetusa) odgovor je na pitanje kako su se naši mozgovi uspjeli evolucijski razvijati brže od mozgova drugih primata.

Točkasta mutacija koja je promijenila smjer evolucije

Studije uzoraka DNA ekstrahiranih iz arheoloških nalaza pokazuju da je gen ARHGAP11-B evolucijski nastao prije otprilike pet milijuna godina, i to mutacijom i daljnjim umnožavanjem od svojega gena-prethodnika, nazvanog ARHGAP11-A.

Razlika u nazivima tih dvaju gena je samo u jednom, onom posljednjem slovu, što slikovito odražava činjenicu da je razlika između sekvencija tih dvaju gena samo u jednom „slovu“ redoslijeda nukleotidnih baza. Još je 2016. godine istraživačka skupina Wielanda Huttnera otkrila da protein koji je kodiran aktivnošću gena ARHGAP11-B sadrži slijed aminokiselina specifičnih samo za čovjeka, a koje nisu pronađene u proteinu nastalom aktivacijom gena ARHGAP11-A: točkasta mutacija (zamjena samo jedne nukleotidne baze) pronađena u ARHGAP11-B genu dovela je do promjene na glasničkoj RNK odgovornoj za sintezu proteina koji stimulira rast neokorteksa.

Takve malene, slučajne mutacije nisu rijetke u prirodi, ali većina ih rezultira promjenama proteina koje nemaju daljnju aktivnu ulogu u organizmu. No, u slučaju mutacije iz ARHGAP11-A u ARHGAP11-B, došlo je do funkcionalno aktivne promjene – i poticaj na rast većeg mozga s naprednijim neokorteksom je odmah imao utjecaj na čovjekovu evoluciju. Mutacija i zamjena nukleotidne baze vjerojatno se dogodila prije otprilike 5 milijuna godina.

Etički opravdani prekid trudnoće

"Samo vas gledam, majku vam božju!" - (anonimni marmozet)
“Samo vas gledam, majku vam božju!” – (anonimni marmozet)

Za razliku od prethodnog pokusa na miševima (kada je ekspresija ARHGAP11-B gena bila umjetno stimulirana do razine koja je višestruko veća od normalne, fiziološke, onakve kakva je u ljudskim fetusima), u pokusu s marmozetskim fetusima znanstvenici nisu dopunski poticali normalnu ekspresiju tog gena. Unatoč tome, marmozetski embriji su razvili veći i napredniji mozak, s izraženijim i naboranijim neokorteksom.

Ne želeći prelaziti preko granice etičnosti, istraživački tim je eksperimente zaustavio u fetalnoj fazi, ne dopuštajući daljnji rast marmozetskih embrija i fetusa do kraja trudnoće. Fetusi su nakon 100 dana gestacije (što je 2 mjeseca prije očekivanog datuma rođenja) odstranjeni carskim rezom, te podvrgnuti detaljnim embrio-histološkim proučavanjima promjena koje je ekspresija ARHGAP11-B gena izazvala na fetalnom neokorteksu.

Članovi znanstvenog tima su zaključili da ne bi bilo etički opravdano na svijet donijeti primate s mozgom izmijenjenim utjecajem ljudskih gena, jer – kako su izjavili – za sada nije moguće predvidjeti kakve bi se promjene neuroloških funkcija, svijesti i ponašanja mogle pojaviti u potpuno formiranom i živom primatu kojemu je „evolucijskim kvantnim skokom“ umjetno unaprijeđen mozak.