Роля на гена transketolase-like-1 в развитието на съвременния човешки мозък

Роля на гена transketolase-like-1 в развитието на съвременния човешки мозък

В наскоро публикувано проучване в Наука Изследователите показаха как експресията на транскетолаза-подобен 1 (TKTL1) ген влияе върху неокортикалната неврогенеза при съвременните хора.

Lernen: Menschliches TKTL1 impliziert eine größere Neurogenese im frontalen Neokortex moderner Menschen als bei Neandertalern. Bildnachweis: iurii/Shutterstock

фон

Интересното е, че еднократна аминокиселинна замяна в TKTL1, от лизин при маймуни и архаични хора до аргинин при съвременни хора, променя функцията и организацията на мозъчните слоеве като неокортекса, особено във фронталния лоб. Еволюционните промени в неокортекса на мозъка и съпътстващото увеличаване на производството на неврони подобриха когнитивните способности на съвременните хора. Анализите на Endocast показват, че ендокраниалният обем на съвременните хора и неандерталците е подобен, което предполага подобен размер на неокортекса. Вкаменелостите обаче не могат да помогнат да се оцени дали подобен размер на неокортекса предполага подобно производство на неокортикален неврон.

Предишно проучване на Pinson et al. анализира ефекта от промяна на една аминокиселина в протеина TKTL1 върху производството на базална радиална глия (bRG), клетките, които образуват по-голямата част от неокортекса. Те забелязаха, че в органоидите човешкият вариант на TKTL1 (hTKTL1) генерира повече невропрогенитори от архаичния вариант (aTKTL1), открит при неандерталци, денисовци и други примати. Може би затова съвременните хора имат повече неокортекс в мозъка си от неандерталците.

Относно ученето

В настоящото изследване изследователите изследват ролята на TKTL1 в развитието на неокортекса, което от своя страна влияе върху броя на неврогенните прогенитори. В допълнение, те определят дали aTKTL1 и hTKTL1 имат подобни ефекти върху невропрогениторите по време на развитието на неокортекса.

Проучването използва генна свръхекспресия в развитието на неокортекса на мишка и пор. По същия начин те са използвали нокаут технология в фетална човешка неокортикална тъкан и технология за редактиране на генома, за да изследват церебрални органоиди.

Използвайки клъстерирани редовно разположени къси палиндромни повторения (CRISPR)-CRISPR-асоцииран протеин 9 (Cas9)-медиирана технология за нокаут на hTKTL1, те показаха, че нокаутът на hTKTL1 в фетална човешка неокортикална тъкан значително намалява броя на brG. След това екипът използва церебрални органоиди, за да потвърди резултатите си. Тези мини-мозъчни структури, направени от човешки ембрионални стволови клетки, имат aTKTL1 вместо hTKTL1.

По-конкретно, екипът е получил обща рибонуклеинова киселина (РНК) от фалшиви и генно редактирани човешки органоиди, получени от H9. Те използваха количествена PCR в реално време (qPCR), за да потвърдят, че тези органоиди експресират TKTL1 информационна РНК (mRNA), последвано от секвениране на Sanger на PCR продуктите. Те картографираха фалшиви и генно редактирани органоиди към човешкия TKTL1 ген, за да потвърдят експресията на hTKTL1 иРНК в фалшиво редактираните човешки органоиди и археална TKTL1 иРНК в генно редактираните човешки органоиди.

Преди имунофлуоресценция, те изрязват коронарни криосекции с дебелина 20–50 μm с помощта на криостат и съхраняват тези проби при -20 ° C. Първо, екипът подлага суспензия от една клетка от ембрионалния неокортекс на мишка на оцветяване на клетъчната повърхност. След това го направиха микродисекция под епифлуоресцентен стереомикроскоп. По този начин те получиха електропорираната област на неокортекса. И накрая, екипът използва масспектрометрия (MS), за да определи концентрациите на ацетил-коензим А (ацетил-CoA) в bRG, изолиран чрез флуоресцентно активирано клетъчно сортиране (FACS).

Резултати от изследването

Разбира се, неокортексът на миши ембрион няма експресия на TKTL1. Въвеждането на гена hTKTL1 в неокортекса на миши ембриони повишава честотата на bRG, без да засяга базалните междинни прогенитори (bIPs) и апикалната прогениторна популация, което от своя страна увеличава производството на кортикални неврони с течение на времето, особено на късно развиващите се неврони на горния слой. Обратно, aTKTL1, който се различава само с една аминокиселина, не увеличава изобилието на bRG.

Освен това, авторите откриха, че експресията на hTKTL1 увеличава изобилието на bRG и дела на мултипроцесния bRG, отличителен белег на bRG, който може да се самоподсилва, при развитието на неокортекс на пор. Следователно размерът на гируса на поровете се увеличава.

В допълнение, изследователите отбелязват, че aTKTL1-експресиращите клетъчни органоиди съдържат по-малко bRG и невропрогениторни клетки. Това откритие потвърждава, че заместването на лизин с аргинин в hTKTL1 е от съществено значение за поддържането на bRG популацията в този модел на човешки мозък. По същия начин, експресията на hTKTL1 се увеличава в невропрогениторите по време на неврогенезата в човешкия фетален неокортекс. Интересното е, че тази експресия е по-висока в развиващия се фронтален лоб, отколкото в развиващия се тилен лоб.

Друго интересно наблюдение е, че hTKTL1 повишава bRG популацията чрез два последователни метаболитни пътя, пентозофосфатния път (PPP) и синтеза на мастни киселини. Следователно, когато изследователите потиснаха PPP или пътищата за синтез на мастни киселини със серия от специфични инхибитори, hTKTL1-индуцираното увеличение на bRG популацията в ембрионалния неокортекс на мишка престана. По подобен начин, числата на bRG са намалени в човешката фетална неокортикална тъкан.

Освен това, авторите откриха, че hTKTL1-стимулираните bRGs, но не и aTKTL1-индуцираните bRGs, имат по-висока концентрация на ацетил-CoA, метаболит, който е от решаващо значение за синтеза на мастни киселини. По този начин само hTKTL1 насърчава синтеза на мембранни липиди, съдържащи вид мастна киселина, необходима за израстването на bRG процесите, увеличавайки тяхната популация.

Изводи

Настоящото проучване показа какво отличава неокортикалната неврогенеза при съвременните хора от неандерталците. Въпреки че тези архаични хора са имали подобни мозъци (по размер) на съвременните хора, еднократно заместване на лизин с аргинин в гена hTKTL1 е довело до изобилие на bRG, но не и до това на bIPs, което от своя страна генерира повече неокортикални неврони в съвременните хора. Освен това, изследователите показаха, че ефектът на hTKTL1 изисква PPP и синтез на мастни киселини и инхибирането на тези пътища намалява изобилието на bRG в феталната човешка неокортикална тъкан.

Справка:

• Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, Christina Eugster Oegema, Sofia Traikov, Katrin Reppe, Stephan Riesenberg, Tomislav Maricic, Razvan Derihaci, Pauline Wimberger, Svante Pääbo, Wieland B. Huttner. (2022). Menschliches TKTL1 impliziert eine größere Neurogenese im frontalen Neokortex moderner Menschen als bei Neandertalern. Wissenschaft. doi: 10.1126/science.abl6422 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6422

.