Role transketolase-like-1 genu ve vývoji moderního lidského mozku

Role transketolase-like-1 genu ve vývoji moderního lidského mozku

V nedávno publikované studii v Věda Výzkumníci ukázali, jak exprese genu transketolase-like 1 (TKTL1) ovlivňuje neokortikální neurogenezi u moderních lidí.

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

pozadí

Je zajímavé, že jediná substituce aminokyselin v TKTL1, od lysinu u opic a archaických lidí po arginin u moderních lidí, změnila funkci a organizaci mozkových vrstev, jako je neokortex, zejména ve frontálním laloku. Evoluční změny v neokortexu mozku a doprovodný nárůst produkce neuronů zlepšily kognitivní schopnosti moderních lidí. Endocastové analýzy ukázaly, že endokraniální objem moderních lidí a neandrtálců byl podobný, což naznačuje podobnou velikost neokortexu. Fosilie však nemohly pomoci posoudit, zda podobná velikost neokortexu implikuje podobnou produkci neokortikálních neuronů.

Předchozí studie Pinson et al. analyzovali účinek změny jedné aminokyseliny v proteinu TKTL1 na produkci bazálních radiálních glií (bRG), buněk, které tvoří většinu neokortexu. Pozorovali, že u organoidů generovala lidská varianta TKTL1 (hTKTL1) více neuroprogenitorů než archaická varianta (aTKTL1) nalezená u neandrtálců, denisovanů a dalších primátů. Možná proto mají moderní lidé v mozku více neokortexu než neandrtálci.

O studiu

V této studii vědci zkoumali roli TKTL1 ve vývoji neokortexu, který zase ovlivňuje počet neuroprogenitorů. Kromě toho určili, zda aTKTL1 a hTKTL1 mají podobné účinky na neuroprogenitory během vývoje neokortexu.

Studie využívala nadměrnou expresi genu při vývoji neokortexu myší a fretek. Podobně použili technologii knockout ve fetální lidské neokortikální tkáni a technologii úpravy genomu ke studiu cerebrálních organoidů.

Použitím seskupených pravidelně rozmístěných krátkých palindromických repetic (CRISPR)-CRISPR-asociovaný protein 9 (Cas9)-zprostředkované hTKTL1 knockout technologie, ukázali, že hTKTL1 knockout ve fetální lidské neokortikální tkáni významně snížil počet brG. Dále tým použil cerebrální organoidy k ověření svých výsledků. Tyto mini-mozkové struktury vyrobené z lidských embryonálních kmenových buněk měly aTKTL1 místo hTKTL1.

Konkrétně tým získal celkovou ribonukleovou kyselinu (RNA) z falešných a genově upravených lidských organoidů odvozených od H9. Použili kvantitativní real-time PCR (qPCR), aby potvrdili, že tyto organoidy exprimovaly TKTL1 messenger RNA (mRNA), následovanou Sangerovým sekvenováním produktů PCR. Mapovali falešné a genově upravené organoidy na lidský gen TKTL1, aby potvrdili expresi hTKTL1 mRNA v falešně upravených lidských organoidech a archaální TKTL1 mRNA v genově upravených lidských organoidech.

Před imunofluorescencí nařezali pomocí kryostatu koronální kryosekce o tloušťce 20–50 μm a tyto vzorky uložili při −20 °C. Nejprve tým podrobil jednobuněčnou suspenzi z neokortexu embryonální myši barvení buněčného povrchu. Poté ji mikrodisekovali pod epifluorescenčním stereomikroskopem. Tímto způsobem získali elektroporovanou oblast neokortexu. Nakonec tým použil hmotnostní spektrometrii (MS) ke stanovení koncentrací acetyl-koenzymu A (acetyl-CoA) v bRG izolovaném fluorescenčně aktivovaným tříděním buněk (FACS).

Výsledky studie

Neokortex myšího embrya samozřejmě postrádá expresi TKTL1. Zavedení genu hTKTL1 do neokortexu myších embryí zvýšilo frekvenci bRG bez ovlivnění bazálních intermediárních progenitorů (bIPs) a apikálních progenitorových populací, což zase v průběhu času zvýšilo produkci kortikálních neuronů, zejména pozdě se vyvíjejících neuronů horní vrstvy. Naopak aTKTL1, který se lišil pouze jednou aminokyselinou, nezvýšil abundanci bRG.

Autoři dále zjistili, že exprese hTKTL1 zvýšila hojnost bRG a podíl multiprocesního bRG, což je charakteristický znak bRG, který se může sám posilovat, při vývoji neokortexu fretek. V důsledku toho se velikost gyru fretky zvětšila.

Kromě toho vědci pozorovali, že buněčné organoidy exprimující aTKTL1 obsahovaly méně bRG a neuroprogenitorových buněk. Toto zjištění potvrdilo, že substituce lysinu za arginin v hTKTL1 byla zásadní pro udržení populace bRG v tomto modelu lidského mozku. Podobně se exprese hTKTL1 zvýšila v neuroprogenitorech během neurogeneze v neokortexu lidského plodu. Je zajímavé, že tato exprese byla vyšší ve vyvíjejícím se frontálním laloku než ve vyvíjejícím se okcipitálním laloku.

Dalším zajímavým pozorováním bylo, že hTKTL1 zvýšil populaci bRG prostřednictvím dvou po sobě jdoucích metabolických drah, pentózofosfátové dráhy (PPP) a syntézy mastných kyselin. Proto, když vědci potlačili dráhy syntézy PPP nebo mastných kyselin řadou specifických inhibitorů, hTKTL1-indukované zvýšení populace bRG v neokortexu embryonálních myší přestalo. Podobně byly sníženy počty bRG v neokortikální tkáni lidského plodu.

Dále autoři zjistili, že bRG stimulované hTKTL1, ale ne bRG indukované aTKTL1, měly vyšší koncentraci acetyl-CoA, metabolitu klíčového pro syntézu mastných kyselin. Pouze hTKTL1 tedy podporoval syntézu membránových lipidů obsahujících typ mastných kyselin potřebných pro růst procesů bRG, čímž zvyšoval jejich populaci.

Závěry

Současná studie ukázala, co odlišuje neokortikální neurogenezi u moderních lidí od neandrtálců. Ačkoli tito archaičtí lidé měli podobný mozek (velikost) jako moderní lidé, jediná substituce lysinu za arginin v genu hTKTL1 vedla k hojnosti bRG, ale ne k hojnosti bIP, což zase vytvořilo více neokortikálních neuronů u moderních lidí. Kromě toho výzkumníci ukázali, že účinek hTKTL1 vyžaduje syntézu PPP a mastných kyselin a inhibice těchto drah snížila množství bRG ve fetální lidské neokortikální tkáni.

Odkaz:

• 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

.