การศึกษาใหม่เน้นย้ำถึงบทบาทของการแสดงออกของยีนต่อวิวัฒนาการสมองของมนุษย์

มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ศาสตราจารย์ซูจิน ยี จากซานตาบาร์บารา และเพื่อนร่วมงานมุ่งเป้าไปที่การศึกษาว่ายีนในเซลล์สมองประเภทต่างๆ มีวิวัฒนาการอย่างไร เมื่อเทียบกับยีนในลิงชิมแปนซี พวกเขาพบว่าในขณะที่ยีนของเราเขียนรหัสโปรตีนเกือบทั้งหมดเหมือนกับลิงอื่นๆ แต่ยีนของเราจำนวนมากมีประสิทธิผลมากกว่ายีนของไพรเมตอื่นๆ มาก

ขณะที่นักวิทยาศาสตร์เริ่มเข้าใจบทบาทของจีโนมในฐานะพิมพ์เขียวของชีวิต พวกเขาคิดว่าบางทีจีโนมมนุษย์สามารถอธิบายลักษณะเฉพาะของเราได้

แต่การเปรียบเทียบอย่างละเอียดกับลิงชิมแปนซีในปี 2548 เผยให้เห็นว่าเรามียีนร่วมกันถึง 99% แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะแก้ไขตัวเลขนี้แล้วก็ตาม

สิ่งนี้เป็นการยืนยันการศึกษาก่อนหน้านี้โดยอาศัยยีนจำนวนเล็กน้อยที่ชี้ให้เห็นว่ามีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยระหว่างจีโนมมนุษย์และชิมแปนซี

ขณะนี้นักชีววิทยาสงสัยว่าการแสดงออกของยีนอาจเป็นสาเหตุของความแตกต่างเหล่านี้ ลองพิจารณาผีเสื้อพระมหากษัตริย์ ตัวเต็มวัยมีจีโนมเหมือนกับตอนเป็นหนอนผีเสื้อ ความแตกต่างอันน่าทึ่งระหว่างสองช่วงชีวิตล้วนขึ้นอยู่กับการแสดงออกของยีน การเปิดและปิดยีนต่างๆ หรือการให้รหัสสำหรับ mRNA ไม่มากก็น้อย สามารถเปลี่ยนแปลงลักษณะของสิ่งมีชีวิตได้อย่างมาก

ได้ภาพที่ชัดเจนยิ่งขึ้น

การวิจัยก่อนหน้านี้พบความแตกต่างในการแสดงออกของยีนระหว่างมนุษย์กับชิมแปนซี และเซลล์ของมนุษย์มีแนวโน้มที่จะมีการแสดงออกของยีนสูงกว่า แต่ภาพไม่ชัด

สมองประกอบด้วยเซลล์หลายชนิด

ตามเนื้อผ้า นักวิทยาศาสตร์จัดเซลล์สมองออกเป็นสองประเภทหลักๆ ได้แก่ เซลล์ประสาทและเซลล์เกลีย

เซลล์ประสาทส่งสัญญาณไฟฟ้าเคมี คล้ายกับสายไฟทองแดงในอาคาร

เซลล์ไกลอัลทำหน้าที่อื่นๆ ส่วนใหญ่ เช่น การเป็นฉนวนของสายไฟ การรองรับโครงสร้าง และการขจัดเศษซาก

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาได้เฉพาะตัวอย่างเนื้อเยื่อจำนวนมากที่ประกอบด้วยเซลล์หลายประเภทเท่านั้น แต่ภายในทศวรรษที่ผ่านมา มีความเป็นไปได้ที่จะตรวจวิเคราะห์นิวเคลียสของเซลล์ทีละครั้ง

ช่วยให้นักวิจัยสามารถแยกแยะระหว่างประเภทเซลล์และมักจะเป็นชนิดย่อยได้

ศาสตราจารย์ยี่และผู้เขียนร่วมใช้ชุดข้อมูลที่สร้างจากอุปกรณ์ที่มีช่องทางแคบมากเพื่อแยกนิวเคลียสแต่ละอันออกเป็นห้องของตัวเองในอาร์เรย์

จากนั้นจึงจัดกลุ่มเซลล์ตามประเภทก่อนทำการวิเคราะห์ทางสถิติ

พวกเขาวัดการแสดงออกของยีนโดยการสังเกตปริมาณ mRNA ของยีนเฉพาะที่ผลิตในมนุษย์ ชิมแปนซี และลิงแสม

ยีนที่ได้รับการควบคุมจะผลิต mRNA ได้มากกว่าในสปีชีส์หนึ่งๆ เมื่อเปรียบเทียบกับยีนอื่นๆ ในขณะที่ยีนที่ได้รับการควบคุมจะผลิตได้น้อยกว่า

การเปรียบเทียบลิงชิมแปนซีและมนุษย์กับลิงแสมช่วยให้นักวิจัยสามารถบอกได้ว่าเมื่อใดความแตกต่างระหว่างลิงทั้งสองนั้นเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของลิงชิมแปนซี การเปลี่ยนแปลงของมนุษย์ หรือทั้งสองอย่าง

ผู้เขียนบันทึกความแตกต่างในการแสดงออกของยีนประมาณ 5-10% ของยีน 25,000 ตัวในการศึกษานี้

โดยทั่วไป เซลล์ของมนุษย์มียีนที่ได้รับการควบคุมมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับลิงชิมแปนซี

นี่เป็นเปอร์เซ็นต์ที่มากกว่าที่นักวิจัยพบมากเมื่อไม่สามารถแยกการวิเคราะห์ตามประเภทเซลล์ได้ และเปอร์เซ็นต์ก็เพิ่มขึ้นเป็น 12-15% เมื่อผู้เขียนเริ่มพิจารณาชนิดย่อยของเซลล์

“ตอนนี้เราเห็นแล้วว่าเซลล์แต่ละประเภทมีเส้นทางวิวัฒนาการของตัวเอง และกลายเป็นผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทางจริงๆ” ศาสตราจารย์ยี่กล่าว

ไม่ใช่แค่เซลล์ประสาท

ความซับซ้อนของวิถีประสาทของเรานั้นไม่มีใครเทียบได้ในอาณาจักรสัตว์ อย่างไรก็ตาม นักวิจัยสงสัยว่าสติปัญญาที่เป็นเอกลักษณ์ของเราไม่ได้เป็นผลมาจากสิ่งนี้ด้วยตัวมันเอง

เซลล์เกลียของมนุษย์คิดเป็นสัดส่วนมากกว่าครึ่งหนึ่งของเซลล์ในสมองของเรา ซึ่งเป็นเปอร์เซ็นต์ที่มากกว่าในชิมแปนซีด้วยซ้ำ

ในบรรดาเซลล์ glial oligodendrocytes แสดงให้เห็นความแตกต่างมากที่สุดในการแสดงออกของยีน เซลล์เหล่านี้สร้างฉนวนที่เคลือบเซลล์ประสาท ทำให้สัญญาณไฟฟ้าของพวกมันเคลื่อนที่ได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ในการศึกษาร่วมกันซึ่งตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่ามนุษย์มีอัตราส่วนของสารตั้งต้นเทียบกับโอลิโกเดนโดรไซต์ที่โตเต็มวัยสูงกว่าเมื่อเทียบกับลิงชิมแปนซี

พวกเขาสงสัยว่าสิ่งนี้อาจเกี่ยวข้องกับความเป็นพลาสติกของระบบประสาทที่น่าทึ่งและการพัฒนาสมองของมนุษย์ที่ช้า

“ความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของโครงข่ายประสาทเทียมของเราอาจไม่ได้พัฒนาเพียงลำพัง” ศาสตราจารย์ยี่กล่าว

“มันไม่สามารถเกิดขึ้นได้เว้นแต่เซลล์ประเภทอื่นๆ เหล่านี้จะพัฒนาและทำให้สามารถขยายความหลากหลายของเซลล์ประสาท จำนวนเซลล์ประสาท และความซับซ้อนของเครือข่าย”

ที่ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในการดำเนินการของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ-

-

เดนนิส โจชิและคณะ- 2024. การเร่งวิวัฒนาการด้านกฎระเบียบเฉพาะประเภทเซลล์ของสมองมนุษย์พนส121 (52): e2411918121; ดอย: 10.1073/pnas.2411918121

บทความนี้ดัดแปลงมาจากต้นฉบับของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา