Humanos e chimpanzés diferem em apenas um por cento de seu DNA. As regiões aceleradas humanas (HARs) são partes do genoma com uma quantidade inesperada dessas diferenças. Os HARs permaneceram estáveis ??em mamíferos por milênios, mas mudaram rapidamente nos primeiros humanos. Os cientistas há muito se perguntam por que esses pedaços de DNA mudaram tanto e como as variações diferenciam os humanos de outros primatas.

Agora, pesquisadores do Instituto Gladstone analisaram milhares de HARs humanos e de chimpanzés e descobriram que muitas das mudanças acumuladas durante a evolução humana tiveram efeitos opostos entre si.

"Isso ajuda a responder a uma pergunta de longa data sobre por que os HARs evoluíram tão rapidamente depois de ficarem congelados por milhões de anos", diz Katie Pollard, Ph.D., diretora do Gladstone Institute of Data Science and Biotechnology e principal autora do novo estudo publicado hoje. em Neurônio . "Uma variação inicial em um HAR pode ter aumentado demais sua atividade e, então, precisou ser diminuída."

As descobertas, diz ela, têm implicações para a compreensão da evolução humana. Além disso – como ela e sua equipe descobriram que muitos HARs desempenham papéis no desenvolvimento do cérebro – o estudo sugere que variações nos HARs humanos podem predispor as pessoas a doenças psiquiátricas.

"Esses resultados exigiram ferramentas de aprendizado de máquina de ponta para integrar dezenas de novos conjuntos de dados gerados por nossa equipe, fornecendo uma nova lente para examinar a evolução das variantes de HAR", disse Sean Whalen, Ph.D., primeiro autor do estudo e sênior cientista de pesquisa da equipe no laboratório de Pollard.

Pollard descobriu HARs em 2006 ao comparar os genomas humanos e de chimpanzés. Embora esses trechos de DNA sejam quase idênticos entre todos os humanos, eles diferem entre humanos e outros mamíferos. O laboratório de Pollard mostrou que a grande maioria dos HARs não são genes, mas intensificadores – regiões reguladoras do genoma que controlam a atividade dos genes.

Mais recentemente, o grupo de Pollard queria estudar como os HARs humanos diferem dos HARs dos chimpanzés em sua função de intensificador. No passado, isso exigiria o teste de HARs um de cada vez em camundongos, usando um sistema que cora os tecidos quando um HAR está ativo.

Em vez disso, Whalen inseriu centenas de intensificadores cerebrais humanos conhecidos e centenas de outras sequências não intensificadoras em um programa de computador para que ele pudesse identificar padrões que previssem se qualquer trecho de DNA era um intensificador. Então ele usou o modelo para prever que um terço dos HARs controlam o desenvolvimento do cérebro .

"Basicamente, o computador foi capaz de aprender as assinaturas dos estimuladores do cérebro", diz Whalen.

Sabendo que cada HAR tem múltiplas diferenças entre humanos e chimpanzés, Pollard e sua equipe questionaram como variantes individuais em um HAR impactavam sua força intensificadora. Por exemplo, se oito nucleotídeos de DNA diferissem entre um chimpanzé e um HAR humano, todos os oito teriam o mesmo efeito, tornando o intensificador mais forte ou mais fraco?

"Há muito tempo nos perguntamos se todas as variantes nos HARs eram necessárias para funcionar de maneira diferente em humanos, ou se algumas mudanças estavam apenas pegando carona com outras mais importantes", diz Pollard, que também é chefe de da divisão de bioinformática no Departamento de Epidemiologia e Bioestatística da UC San Francisco (UCSF), bem como um investigador do Chan Zuckerberg Biohub.

Para testar isso, Whalen aplicou um segundo modelo de aprendizado de máquina, que foi originalmente projetado para determinar se as diferenças de DNA de pessoa para pessoa afetam a atividade do intensificador. O computador previu que 43% dos HARs contêm duas ou mais variantes com grandes efeitos opostos: algumas variantes em um determinado HAR o tornaram um intensificador mais forte, enquanto outras alterações tornaram o HAR um aprimorador mais fraco.

Esse resultado surpreendeu a equipe, que esperava que todas as alterações empurrassem o aprimorador na mesma direção, ou que algumas alterações "caronas" não tivessem nenhum impacto no aprimorador.

Para validar esta previsão convincente, Pollard colaborou com os laboratórios de Nadav Ahituv, Ph.D., e Alex Pollen, Ph.D., na UCSF. Os pesquisadores fundiram cada HAR a um pequeno código de barras de DNA. Cada vez que um HAR estava ativo, aumentando a expressão de um gene, o código de barras era transcrito em um pedaço de RNA. Em seguida, os pesquisadores usaram a tecnologia de sequenciamento de RNA para analisar quanto desse código de barras estava presente em qualquer célula – indicando o quão ativo o HAR estava naquela célula.

"Esse método é muito mais quantitativo porque temos contagens exatas de códigos de barras em vez de imagens de microscopia", diz Ahituv. “Também é um rendimento muito maior; podemos observar centenas de HARs em um único experimento”.

Quando o grupo realizou seus experimentos de laboratório em mais de 700 HARs em precursores de células cerebrais humanas e de chimpanzés, os dados imitaram o que os algoritmos de aprendizado de máquina haviam previsto.

“Poderíamos não ter descoberto variantes HAR humanas com efeitos opostos se o modelo de aprendizado de máquina não tivesse produzido essas previsões surpreendentes”, disse Pollard.

A ideia de que as variantes HAR jogaram cabo de guerra sobre os níveis intensificadores se encaixa bem com uma teoria que já foi proposta sobre a evolução humana: que a cognição avançada em nossa espécie também é o que nos deu doenças psiquiátricas.

"O que esse tipo de padrão indica é algo chamado evolução compensatória", diz Pollard. "Uma grande mudança foi feita em um intensificador, mas talvez tenha sido demais e levou a efeitos colaterais prejudiciais, então a mudança foi reduzida ao longo do tempo - é por isso que vemos efeitos opostos."

Se as mudanças iniciais nos HARs levaram a um aumento da cognição, talvez as mudanças compensatórias subsequentes tenham ajudado a reduzir o risco de doenças psiquiátricas, especula Pollard. Seus dados, ela acrescenta, não podem provar ou refutar diretamente essa ideia. Mas, no futuro, uma melhor compreensão de como os HARs contribuem para as doenças psiquiátricas pode não apenas lançar luz sobre a evolução, mas também sobre novos tratamentos para essas doenças.

"Nunca podemos retroceder o relógio e saber exatamente o que aconteceu na evolução", diz Pollard. "Mas podemos usar todas essas técnicas científicas para simular o que pode ter acontecido e identificar quais alterações no DNA têm maior probabilidade de explicar aspectos únicos do cérebro humano , incluindo sua propensão a doenças psiquiátricas".