Китайские генетики сообщили о создании одиннадцати трансгенных макак-резусов с человеческим вариантом гена microcephalin (MCPH1). Изменения этого гена предположительно сыграли важную роль в эволюции мозга и когнитивных способностей приматов в целом и гоминид в частности. Хотя мозг у трансгенных обезьян не увеличился по сравнению с обычными макаками, у них улучшилась кратковременная память, а в развитии коры появились неотенические черты, что также характерно для человека. В частности, у трансгенных макак замедлились процессы миелинизации аксонов и созревания нейронов и астроцитов коры головного мозга. Кроме того, на более поздний возраст сместилась активация многих генов, влияющих на дифференцировку нейронов и работу синапсов. Некоторые из этих генов у человека тоже «включаются» позже, чем у других приматов. Исследование продемонстрировало принципиально новый подход к экспериментальному изучению функциональной роли генетических изменений, сделавших нас людьми.
Пока в западной науке ужесточаются ограничения, связанные с биоэтикой, китайская наука, чуть менее обремененная подобными запретами, получает сенсационные результаты, не совсем однозначные с этической точки зрения. В частности, в Китае активно ведутся работы по генетической модификации и клонированию обезьян (рис. 1). В перспективе трансгенные приматы могут стать исключительно эффективными модельными объектами для биомедицинских исследований. Предполагается, что использование таких моделей в будущем позволит сократить количество обезьян, страдающих во имя науки.
Но дело не ограничивается исследованиями со столь ясными практическими (медицинскими) перспективами. Трансгенные приматы могут помочь в решении фундаментальных научных проблем, которые если и дадут практическую отдачу, то не очень скоро. Одной из таких проблем является расшифровка функциональной роли генетических изменений, произошедших в ходе антропогенеза и лежащих в основе эволюции человеческого разума.
В новой статье, опубликованной в журнале National Science Review (этот англоязычный журнал с импакт-фактором около 10, издаваемый под эгидой Китайской Академии Наук, знакомит мир с важнейшими достижениями китайских ученых), сообщается об успешном создании одиннадцати трансгенных макак-резусов (восемь особей первого поколения и три — второго) с копиями человеческого гена MCPH1, также известного под названием microcephalin. Этот ген кодирует многофункциональный белок, участвующий в регуляции деления нейроэпителиальных клеток — предшественников нейронов коры головного мозга. Нейроэпителиальные клетки делятся либо симметрично (на две нейроэпителиальные клетки), либо асимметрично — на нейроэпителиальную клетку и нейробласт. Чем больше произойдет симметричных делений, тем больше в итоге будет нейронов в коре, а ген microcephalin влияет на это наряду с несколькими другими генами.
Мутации, выводящие microcephalin из строя, у людей приводят к микроцефалии(отсюда и название гена). Мыши и обезьяны с нокаутированным геном microcephalinтоже имеют уменьшенный мозг. У здоровых людей аллельные варианты гена, по-видимому, влияют на вариации структуры мозга в пределах того, что считается «нормой» .
Кроме того, показано, что в эволюционной линии, ведущей от древних обезьян к человеку, в течение последних 25–30 млн лет белок-кодирующая часть гена microcephalin быстро менялась под действием отбора. Это привело к закреплению более 40 аминокислотных замен. У человека по сравнению с другими приматами изменились и регуляторные области гена, что привело к увеличению его транскрипционной активности.
Из этого следует, что изменения гена microcephalin почти наверняка сыграли важную роль в эволюции мозга и когнитивных способностей человека. Но косвенные аргументы, даже самые убедительные, — это одно, а прямая экспериментальная проверка — совсем другое. Поэтому вполне понятно желание исследователей узнать, что произойдет с обезьяной, если вставить ей в геном человеческий вариант гена microcephalin.
Авторы использовали лентивирусы (см.: Lentiviral vector in gene therapy) для внедрения человеческой версии гена microcephalin в эмбрионы макаки-резуса, находящиеся на ранних стадиях дробления. Эти эмбрионы затем подсаживали самкам — суррогатным матерям.
В итоге удалось получить восемь трансгенных обезьянок первого поколения, в геном которых встроилось от 2 до 9 копий человеческого microcephalin. Секвенирование показало, что человеческий ген встроился во всех случаях в некодирующие, скорее всего нефункциональные участки генома. Поэтому чужеродные вставки не должны были сильно повлиять на работу собственных генов обезьян.
Из восьми трансгенных обезьян две родились сильно недоношенными (на 136-й день после зачатия при нормальном сроке беременности 165 дней) и сразу погибли. Еще одна умерла по невыясненным причинам через 76 дней после рождения. У этих трёх индивидов мозг изучали инвазивными методами, то есть делали срезы мозговой ткани, использовали иммуногистохимические методы для подсчета зрелых и незрелых нейронов и астроцитов, изучали транскриптомы и т. д.
У пяти выживших особей периодически (вплоть до трехлетнего возраста) измеряли объем серого и белого вещества в разных отделах мозга, а также оценивали степень миелинизации нервных волокон при помощи неинвазивных методов, таких как магнитно-резонансная томография. Трансгенных обезьян сравнивали с шестью одновозрастными контрольными (не трансгенными) макаками, из которых троих воспитывали люди (как и трансгенных индивидов), а троих — их собственные матери. Никаких различий между двумя контрольными группами замечено не было. Кроме того, исследовались ткани мозга еще шести разновозрастных контрольных обезьян дикого типа, убитых во имя науки. В общей сложности, таким образом, данные были получены от 8 трансгенных и 12 контрольных обезьян.
Развитие трансгенных обезьян протекало в целом нормально. Несмотря на пересаженный человеческий ген, мозг у них не стал больше, чем у обычных макак-резусов. В раннем детстве они даже отставали от контрольных животных по объему мозга, равно как и по массе тела. Впрочем, авторы убеждены, что это отставание не свидетельствует о какой-либо патологии. Скорее всего, оно объясняется тем, что из восьми трансгенных индивидов шестеро были двойняшками (три пары близнецов). Двойняшки у макак, как и людей, обычно мельче одиночек, а все контрольные особи были одиночками. Кроме того, трансгенные макаки появились на свет путем кесарева сечения примерно на неделю раньше среднего срока беременности. С возрастом различия между трансгенными и контрольными особями по массе тела и объему мозга постепенно сглаживались, а к трем годам сошли на нет.
То, что мозг у трансгенных обезьян не увеличился по сравнению с контролем, можно назвать неожиданным результатом. Ведь мы помним, что microcephalin влияет на пролиферацию клеток — предшественников нейронов, а его отключение приводит к микроцефалии; учитывая, что этот ген сильно изменился в ходе антропогенеза, логично предположить, что рост мозга у наших предков был с этим как-то связан. Но, по-видимому, эволюционные изменения гена microcephalin сами по себе (в отрыве от изменений других генов) не объясняют увеличение мозга у предков Homo sapiens. Или, может быть, здесь сказалось то обстоятельство, что из генома трансгенных обезьян не был удален их собственный вариант гена, так что в их клетках экспрессировались одновременно оба варианта: и человеческий, и обезьяний. Правда, уровень экспрессии человеческого варианта был значительно выше. Авторы отмечают, что убрать обезьяний вариант microcephalin из геномов подопытных животных было бы, конечно, хорошо, но по техническим причинам пока слишком трудно.
Впрочем, у мозга, помимо размеров, есть много других важных характеристик. По некоторым из них трансгенные макаки действительно оказались ближе к человеку, чем контрольные. Так, целый ряд фактов указывает на общее замедление развития мозга, и в особенности коры, у трансгенных обезьян. Например, объем серого вещества коры у трансгенных макак увеличивался в целом медленнее, чем у контрольных, а максимальное значение этого показателя в лобных, теменных и височных долях было достигнуто примерно на полгода позже (рис. 2). В развитии мозжечка и подкорковых отделов такой задержки не было.
Рис. 2. Возрастные изменения объемов серого и белого вещества (Gray Matter, White Matter) в коре головного мозга у трансгенных и контрольных обезьян (соответственно, красные и синие линии). Приведены данные по отдельности для лобных, теменных, затылочных и височных долей (Frontal, Parietal, Occipital, Temporal). По горизонтальной оси — логарифм возраста. Вертикальными пунктирными линиями отмечены моменты, когда объем серого вещества в данном отделе мозга достиг максимума. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в National Science Review
По объему белого вещества коры трансгенные обезьяны заметно уступали контрольным во всех возрастах (в мозжечке и подкорковых областях таких различий не было). Авторы также попытались оценить степень миелинизации нервных волокон при помощи диффузионной МРТ и пришли к выводу о задержке миелинизации у трансгенных обезьян по сравнению с контрольными. Подобная задержка характерна и для людей (по сравнению с шимпанзе и другими приматами).
Изучение срезов лобных долей у трех погибших трансгенных индивидов (пары недоношенных двойняшек, погибших через 136 дней после зачатия, и детеныша, погибшего через 76 дней после рождения) и шести контрольных особей таких же возрастов показало, что процесс клеточной дифференцировки у трансгенных обезьян тоже замедлился по сравнению с контролем. В коре трансгенных макак оказалось меньше клеток, экспрессирующих белки, характерные для зрелых нейронов и астроцитов. Незрелых клеток, наоборот, у них оказалось больше.
Анализ транскриптомов мозговой ткани тоже подтвердил идею о замедленном созревании коры у трансгенных макак. Оказалось, что общий уровень экспрессии гена microcephalin у трансгенных индивидов намного выше, чем у контрольных, причем человеческий вариант гена экспрессируется у них сильнее, чем их собственный, обезьяний. Но главный результат состоит в том, что у трансгенных индивидов понижена экспрессия многих генов, участвующих в развитии нейронов и в работе синапсов. Это справедливо как для 136-го дня эмбрионального развития, так и для 76-го дня после рождения. Это очень похоже на так называемую «транскрипционную неотению мозга», характерную для человека (см.: Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?, «Элементы», 06.03.2017; M. Somel et al., 2009. Transcriptional neoteny in the human brain).
Авторам также удалось получить три трансгенных эмбриона второго поколения. Это было сделано при помощи оплодотворения in vitro с использованием сперматозоидов одного из трансгенных животных первого поколения. Анализ экспрессии генов в мозге эмбрионов на ранних стадиях (спустя 76 и 92 дня после оплодотворения) подтвердил вывод о «транскрипционной неотении». Многие гены, участвующие в дифференцировке нейронов и работе синапсов коры, у человека начинают активно работать на более поздних этапах развития, чем у шимпанзе. То же самое наблюдается у трансгенных макак по сравнению с контрольными.
Итак, у трансгенных обезьян мозг развивается иначе, чем у контрольных. Влияют ли эти отличия, выявленные на молекулярном и клеточном уровне, на поведение и когнитивные способности? Наблюдения, проведенные по стандартным методикам, показали, что обычное поведение трансгенных обезьянок (циклы сна и бодрствования, подвижность, пищевое поведение, самогруминг и т. д.) ничем не отличается от поведения контрольных макак такого же возраста.
Различия выявились в тестах на кратковременную память. Обезьян обучали «выбору по образцу» с задержкой. Суть этого теста в том, что сначала обезьяне показывают на экране какую-нибудь фигуру. Потом в течение нескольких секунд демонстрируется пустой экран («задержка»). После этого на экране появляются две фигуры: та же самая и новая. Обезьяна должна указать на знакомую фигуру (см. видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье).
Трансгенные обезьяны лучше справлялись с заданием, чем контрольные, при любой длительности задержки (использовались задержки длиной в 0–4, 8, 16 и 32 секунды). Преимущество трансгенных обезьян проявилось как в меньшем числе ошибок, так и в повышенной скорости принятия решений. Результат согласуется с гипотезой о том, что кратковременная память у трансгенных обезьян улучшилась по сравнению с контролем. Это может оказаться важным для понимания путей антропогенеза (см.: Чтобы стать людьми, обезьянам не хватает рабочей памяти, «Элементы», 25.12.2008).
Обсуждаемая работа продемонстрировала принципиально новый подход к изучению функциональной роли тех генетических изменений, которые сделали нас людьми (см.: Будут ли расшифрованы генетические основы разума?, «Элементы», 09.10.2006). С чисто научной точки зрения данный подход в высшей степени перспективен. Но как быть с этическими аспектами? Стоят ли полученные данные о гене microcephalin жизней нескольких обезьян (напомним, что шесть здоровых контрольных макак были умерщвлены в ходе исследования, да и об ущемлении прав выживших участников эксперимента можно подискутировать)?
Если внедрение одного человеческого гена лишь слегка изменило динамику развития мозга и умственные способности обезьян, то как будут выглядеть трансгенные приматы с пятью или двадцатью человеческими генами, влияющими на развитие и работу мозга?
Судя по всему, человечеству в ближайшее время придется оперативно решать множество подобных этических дилемм. Причем от принятых решений будет во многом зависеть дальнейшее развитие науки и цивилизации.
Рис. 1. Пять клонированных макак-резусов. Все обезьянки получены путем пересаживания ядер соматических клеток (фибробластов) одной особи с нокаутированным геном BMAL1, влияющим на циркадные ритмы, в яйцеклетки, из которых были предварительно извлечены их собственные ядра. Такие клонированные трансгенные обезьянки могут стать полезными модельными объектами для изучения наследственных болезней человека.