イェール大学医学部の新たな研究によると、調節エレメントとして知られるDNA領域にある何千もの遺伝子「調光」スイッチが、人類の進化の過程で、発達中の大脳皮質において高く作動するようになった。
アカゲザルやマウスとは異なり、人間ではこれらのスイッチの活性が高まっており、意識的な思考や言語に関わる脳の領域である大脳皮質において、遺伝子の発現を促している可能性がある。この違いは、脳のこの部分の構造と機能が、他の哺乳類と比べて人間で際立って独特である理由を説明するかもしれない。
James P. Noonan、Steven K. Reilly、Jun Yinが主導したこの研究は、3月6日付の学術誌『Science』に掲載された。
遺伝子調節における人間特有の変化を豊富かつ詳細に記録したカタログを作成したことに加え、Noonanらは、これらの調節エレメントが導く可能性があり、人間の脳の発達に不可欠な生物学的プロセスをいくつか特定した。
「より複雑な皮質の形成には、細胞を増やすこと、皮質領域の機能を変えること、そしてニューロン同士がつくる結合を変えることなど、いくつかの要素が関わると考えられます。私たちが人間で見つけた調節の変化は、そうしたプロセスと関連しています」と、遺伝学の准教授で、カブリ神経科学研究所の研究員、本研究の上級著者であるNoonanは述べた。「これには、細胞増殖、皮質のパターン形成、その他多くの種で概してよく保存されている発生過程への進化的な改変が関わっている可能性があります。」
科学者たちは、異なる種のゲノムを比較し、その違いの根底にあるDNA配列の変化を特定することに長けてきた。しかし、人間の遺伝子の多くは他の霊長類の遺伝子と非常によく似ている。このことは、遺伝子そのものの変化に加え、遺伝子の調節のされ方の変化こそが、人間の生物学的特徴を際立たせていることを示唆している。
しかし、これまでは、こうした変化を測定し、その影響を明らかにすることは、特に発達中の脳では非常に困難だった。イェール大学の研究者らは、新たな実験・計算ツールを活用し、ヒトの皮質で活性を持つ調節エレメント、すなわち特定の時期に特定の細胞型で遺伝子のスイッチをオンまたはオフにするDNA配列を直接特定し、その生物学的影響を調べた。
まずNoonanらは、特定の生化学的、すなわち「エピジェネティック」な修飾を探索し、皮質の発達が始まってから最初の12週間におけるヒトゲノムの活性調節エレメントを地図化した。発達中のアカゲザルとマウスの脳でも同じ作業を行い、3つの地図を比較して、発達中のヒト脳でより高い活性を示すエレメントを特定した。人間で活性が高まっている調節エレメントが数千個見つかった。
次に研究チームは、こうした調節の変化が生物学的にどのような影響を持つのかを明らかにしようとした。チームは、ヒトの生涯を通じた脳内の遺伝子発現を示す、無料で利用できるデジタルアトラス「BrainSpan」を活用した。（BrainSpanは、イェール大学のカブリ研究所メンバーであるNenad Sestanが主導し、Noonanと本研究の共著者Pasko Rakicも貢献した。）研究者らはこのデータを使い、大脳皮質で協調的な発現を示す遺伝子群を特定した。次に、特定済みの調節変化をこれらの遺伝子群に重ね合わせ、人間において驚くほど多くの調節変化と関連する生物学的プロセスをいくつか特定した。
「人間の脳は非常に革新的な構造だと考えがちですが、こうした調節エレメントの多くが、すべての哺乳類で皮質を形成するうえで重要な、古くからあるプロセスに関与しているように見えるのは意外でした」と筆頭著者のSteven Reillyは述べた。「しかし、これは進化によく見られる特徴です。利用できる道具を少しずつ改変し、新たな特徴や機能を生み出すのです。」
次にNoonanらは、特定した調節変化の一部をマウスゲノムに導入し、マウスの脳の発達に及ぼす影響を調べることで、その機能を研究する予定だ。
本研究は、米国国立衛生研究所（GM094780、DA023999、NS014841、GM106628）およびNSF大学院研究フェローシップの資金提供を受けた。イェール大学カブリ研究所所長で、ヒト大脳皮質の発達に関する世界有数の専門家の一人であるPasko Rakicとの共同研究として実施された。その他の著者は、Noonan研究室のDeena Emera、Jing Leng、Justin Cotney、Richard Sarro、およびRakic研究室のAlbert E. Ayoubである。
本記事は、 Yale News との協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への賛同を意味するものではありません。
アジェンダの最新情報を受け取るには、 週刊ニュースレターにご登録ください。
著者：Lindsay Borthwickは、科学、健康、環境を専門とするフリーランスのジャーナリストです。
画像：ロンドンのウェルカム・コレクションでの展示に、脳の各部位を示す頭部の石膏製骨相学模型が並ぶ。REUTERS/Chris Helgren。
