Mózg z trzech liter

Oto małe zmiany, które przyniosły wielki efekt. Mamy rozwinięte mózgi, potrafimy czuć, myśleć, planować i kochać dzięki trzem literkom spośród miliardów tworzących nasz genom – twierdzą naukowcy z Uniwersytetu Yale. Te fragmenty DNA odpowiadają za powstanie i rozwój sieci ruchowo-czuciowej ssaków, która z kolei dała początek naszej inteligencji.

– Wszystkie nasze wykształcone cechy motoryczne: umiejętność mówienia, chodzenia, operowania narzędziami, pisania, jak również nasze zdolności emocjonalne i poznawcze, które umożliwiają nam myślenie i kochanie, wszystko to bierze się właśnie z tych minimalnych zmian – mówi prof. Nenad Sestan z Kavli Institute for Neuroscience.

Jak kod pocztowy

W dzisiejszym wydaniu „Nature" naukowcy opisują, w jaki sposób fragmenty DNA wpływające na aktywność genów sterują powstawaniem złożonego mózgowia ssaków – w tym również ludzi.

Zespół z Uniwersytetu Yale skoncentrował się na początkowej fazie rozwoju embrionalnego, kiedy komórki zaczynają się różnicować i przyjmują odmienne funkcje. Zaobserwowali, że fragmenty zapisu DNA, które nie kodują żadnych białek, wpływają jednak na aktywność genów. Geny te z kolei decydują o ostatecznym kształcie ciała i jego organów.

– Odkryliśmy swego rodzaju genetyczny kod pocztowy, który kieruje komórkami mającymi uformować korę mózgową i jej ośrodki decydujące o motoryce i czuciu.

Jednym z takich regionów odpowiedzialnych za regulację genów jest fragment nazwany E4. Jest niemal niezmieniony u wszystkich ssaków – co świadczy o jego wyjątkowej roli – i odpowiada za formowanie się układu piramidowego.

Wszystkie nasze zdolności emocjonalne i poznawcze, dzięki którym możemy myśleć i kochać, biorą się z tych zmian

Kolejnymi elementami tej układanki są regiony kodujące białka (tzw. czynniki transkrypcyjne) SOX4, SOX5 i SOX11. One również wpływają na powstawanie odpowiedniej siatki połączeń w rosnącym zarodku.

Jak podkreślają naukowcy, zmiany potrzebne do formowania się skomplikowanych struktur są minimalne. Wystarczy zamienić trzy literki tworzące zapis genetyczny, aby rozpocząć lawinę zdarzeń prowadzącą do powstania skomplikowanego mózgu.

Zespół Nenada Sestana przetestował swoje podejrzenia na żywym organizmie. Zmiany wprowadzono do genomu ulubionej rybki genetyków (tzw. organizm modelowy) danio pręgowanego. I rzeczywiście, proces ruszył, tak jak przewidywali badacze.

Według Sestana i jego współpracownika Sungbo Shima takie badania nie służą wyłącznie zaspokojeniu ciekawości. Zaburzenia tego układu u ludzi mogą prowadzić do autyzmu czy upośledzenia intelektualnego. Być może rozszyfrowanie tych mechanizmów posłuży do opracowania terapii lub metod diagnostycznych pozwalających pomóc pacjentom.

Przez nos do głowy

Mimo tych odkryć naukowcy są jednak wciąż daleko od rozszyfrowania zagadki – co było impulsem, który sprawił, że mamy tak duże mózgi. Jedna z najnowszych hipotez, przedstawiona rok temu przez specjalistów z University of Texas, St. Mary University i Carniegie Museum of Natural History przypisuje gwałtowny rozrost mózgu potrzebie lepszego analizowania bodźców zewnętrznych.

Na podstawie badań skamielin wczesnych ssaków, pochodzących sprzed 190 mln lat (wykonano precyzyjne skany tomograficzne maleńkich zwierząt Hadrocodium), naukowcy przyjęli, że powiększanie się mózgu odbywało się w trzech etapach.

Pierwszy był spowodowany potrzebą analizy zapachów. Drugi – bodźców dotykowych. Trzeci – koniecznością doskonalszej koordynacją mięśni i integracji wrażeń.

– Nasze badania wskazują, że części mózgu odpowiedzialne za odbieranie wrażeń zapachowych i bodźców dotykowych były u tych zwierząt bardzo powiększone – mówi jeden z autorów tych badań, Zhe-Xi Luo z Carnegie Museum of Natural History. – Rozwinięty zmysł powonienia i dotyku był z ewolucyjnego punktu widzenia bardzo istotny.

Co najważniejsze, naukowcy zaobserwowali również u tych wczesnych ssaków rozpoczęcie procesu fałdowania się móżdżku odpowiedzialnego m.in. za funkcje motoryczne i narządy zmysłów.