Циркадные ритмы — внутренние биологические часы, регулирующие циклы сна и бодрствования у человека и большинства живых организмов — давно изучаются учеными. Одним из центральных компонентов этих ритмов является ген CLOCK, который кодирует белок, управляющий активностью множества других генов, связанных с 24-часовым циклом жизни. Однако недавние открытия показали, что роль гена CLOCK выходит далеко за рамки регуляции суточных биоритмов, особенно в области функционирования мозга. Ученые из Университета Техаса в Южном Западном Медицинском центре провели уникальное исследование, свидетельствующее о том, что человеческая версия гена CLOCK способствует улучшению связности нейронных сетей и повышению ментальной гибкости у мышей, что может иметь ключевое значение для понимания когнитивных способностей человека и эволюции мозга. Основная часть циркадных исследований традиционно концентрировалась на функциональной активности гена CLOCK в подсознательных биологических процессах, таких как регулировка сна или метаболизма.
Тем не менее, последние данные показывают, что в человеческом мозге ген CLOCK экспрессируется в неокортексе — области, отвечающей за высшие когнитивные функции, такие как мышление, принятие решений и обработка речи. Этот факт вызвал интерес у нейробиологов, так как существовала гипотеза о том, что человеческие особенности гена CLOCK играют роль в развитии уникальных интеллектуальных свойств нашего вида. Исследовательская группа под руководством профессора Женевьève Коно́пка создала генетически модифицированных мышей с человеческой версией гена CLOCK, включающей в себя регуляторные элементы, которые определяют специфическую экспрессию гена в мозге человека. Использование технологии рекомбинантной инженерии и бактериальных искусственных хромосом позволило максимально точно воспроизвести структуру и функцию гена в мозге этих животных. Эта инновационная модель дала возможность изучить, как изменения в активности гена CLOCK отражаются на структуре и работе нейронных цепей.
Изучая мозг «гуманизированных» мышей на различных этапах развития, ученые использовали передовые методы, включая иммуногистохимию для визуализации белков и одиночное ядровое РНК-секвенирование (snRNA-Seq) для оценки активности генов на клеточном уровне. Результаты показали, что человеческий вариант гена CLOCK способствует развитию более сложных дендритных деревьев у нейронов, особенно в коре головного мозга, что указывает на расширение синаптических связей. Эти структурные изменения считаются основой для улучшения передач информации между нейронами и формирования гибких когнитивных способностей. Также выявлено, что у мышей с человеческим геном CLOCK значительно повышена плотность нейронов и глиальных клеток, что является свидетельством влияния гена на процессы нейрогенеза и развития мозга во время эмбрионального периода. Данная особенность может отражать механизм, с помощью которого эволюция человека обеспечила расширение и сложность коры головного мозга по сравнению с другими видами.
Для проверки функциональных последствий таких изменений ученые провели поведенческие тесты, направленные на оценку когнитивной гибкости. Эти тесты требуют от животных способности адаптироваться к меняющимся правилам и условиям, предъявляя более высокие требования к исполнительным функциям мозга. Мыши с человеческой версией гена CLOCK показали значительное преимущество в выполнении таких заданий, что указывает на положительное влияние этого гена на способности к быстрому переключению между задачами и расширению рамок обучаемости. Интересно, что в стандартных тестах на изучение памяти и обучения существенных различий между нормальными и гуманизированными мышами не было обнаружено. Это подтверждает гипотезу, что человеческий CLOCK играет специфическую функцию именно в областях мозга, связанных с высокой когнитивной гибкостью, а не в базовых механизмах обучения или памяти.
Чтобы дополнительно подтвердить результаты, полученные на модели мышей, исследователи применили технологию CRISPR для редактирования гена CLOCK в человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клетках (iPSC). Это позволило наблюдать эффект человеческого гена в изолированной человеческой нейронной системе. Результаты на клеточном уровне подтвердили увеличение количества дендритов и синаптических шипиков, что свидетельствует о прямом влиянии гена на морфогенез нейронов. Работа Коно́пки и коллег открыла новый взгляд на то, как циркадные гены могут участвовать в эволюции мозга и развитии когнитивных функций, выходящих за пределы ритмов сна и бодрствования. Эти открытия создают основу для понимания уникальных особенностей человеческой нейробиологии, включая формирование сложных мыслительных процессов и способности к адаптивному мышлению.
Значение этого исследования выходит за пределы фундаментальной науки. Поскольку когнитивная гибкость играет важную роль в таких состояниях, как обучение, память и психическое здоровье, понимание механизмов, регулируемых геном CLOCK, может в будущем привести к разработке новых методов терапии нейродегенеративных заболеваний, психических расстройств и возрастных нарушений когнитивных функций. Эксперименты с «гуманизированными» моделями также подчеркивают важность изучения изменений в регуляторных элементах генома, которые, вероятно, обеспечивают уникальные материи и функции человеческого мозга. Генофонд CLOCK с его измененной спатиотемпоральной экспрессией представляет собой пример того, как эволюция посредством изменения регуляторной активности генов могла привести к новым, ранее нехарактерным для приматов когнитивным способностям. Несмотря на огромный прогресс, сделанный в ходе исследования, ученые отмечают необходимость дальнейшей работы, чтобы определить точные молекулярные пути и механизмы, по которым ген CLOCK регулирует нейронную структуру и функцию.
Особое внимание будет уделено изучению влияния гена на нейронные стволовые клетки и развитие мозга на ранних стадиях, что позволит глубже понять процесс нейрогенеза под управлением циркадных генов. В ближайшем будущем исследование роли гена CLOCK и других циркадных генов в мозге обещает раскрыть новые закономерности в биологии человеческого интеллекта и его феноменальном развитии, а также предоставить дополнительные инструменты для борьбы с когнитивными нарушениями и улучшения качества жизни людей. Таким образом, открытие, что человеческий ген CLOCK способствует укреплению нейронных связей и повышению ментальной гибкости, является важным шагом в изучении уникальных характеристик человеческого мозга. Эти данные формируют прочный фундамент для будущих генетических и нейронаучных исследований, направленных на раскрытие тайн эволюции когнитивных функций и разработки инновационных подходов к лечению заболеваний нервной системы.
