Transketolase-lignende-1-genets rolle i udviklingen af ​​den moderne menneskelige hjerne

Transketolase-lignende-1-genets rolle i udviklingen af ​​den moderne menneskelige hjerne

I en nyligt offentliggjort undersøgelse i Videnskab Forskere viste, hvordan transketolase-lignende 1 (TKTL1) genekspression påvirker neokortikal neurogenese hos moderne mennesker.

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

baggrund

Interessant nok ændrede en enkelt aminosyresubstitution i TKTL1, fra lysin i aber og arkaiske mennesker til arginin hos moderne mennesker, funktionen og organiseringen af ​​hjernelag såsom neocortex, især i frontallappen. De evolutionære ændringer i hjernens neocortex og den samtidige stigning i neuronproduktion forbedrede moderne menneskers kognitive evner. Endocast-analyser har vist, at det endokranielle volumen af ​​moderne mennesker og neandertalere var ens, hvilket tyder på en lignende størrelse af neocortex. Imidlertid kunne fossiler ikke hjælpe med at vurdere, om lignende neocortex-størrelse indebar lignende neokortikal neuronproduktion.

En tidligere undersøgelse af Pinson et al. analyseret effekten af ​​en enkelt aminosyreændring i TKTL1-proteinet på produktionen af ​​basal radial glia (bRG), de celler, der danner det meste af neocortex. De observerede, at i organoider genererede den menneskelige variant af TKTL1 (hTKTL1) flere neuroprogenitorer end den arkaiske variant (aTKTL1) fundet i neandertalere, denisovaner og andre primater. Måske er det derfor, moderne mennesker har mere neocortex i deres hjerner end neandertalere.

Om at studere

I denne undersøgelse undersøgte forskere TKTL1's rolle i udviklingen af ​​neocortex, som igen påvirker antallet af neuroprogenitorer. Derudover bestemte de, om aTKTL1 og hTKTL1 har lignende virkninger på neuroprogenitorer under neocortex-udvikling.

Undersøgelsen brugte genoverekspression til at udvikle mus og ilder neocortex. Ligeledes brugte de knockout-teknologi i føtalt humant neocorticalt væv og genom-redigeringsteknologi til at studere cerebrale organoider.

Ved at bruge clustered regular interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-CRISPR-associeret protein 9 (Cas9)-medieret hTKTL1 knockout-teknologi, viste de, at hTKTL1 knockout i føtalt humant neocorticalt væv reducerede brG-tal signifikant. Dernæst brugte holdet cerebrale organoider til at validere deres resultater. Disse mini-hjernestrukturer lavet af humane embryonale stamceller havde aTKTL1 i stedet for hTKTL1.

Specifikt opnåede holdet total ribonukleinsyre (RNA) fra falske og genredigerede H9-afledte menneskelige organoider. De brugte kvantitativ realtids-PCR (qPCR) for at bekræfte, at disse organoider udtrykte TKTL1-messenger-RNA (mRNA), efterfulgt af Sanger-sekventering af PCR-produkterne. De kortlagde mock- og genredigerede organoider til det humane TKTL1-gen for at bekræfte ekspressionen af ​​hTKTL1-mRNA i de mock-redigerede humane organoider og archaeal TKTL1-mRNA i de genredigerede humane organoider.

Før immunfluorescens skar de koronale kryosektioner med en tykkelse på 20-50 μm ved hjælp af en kryostat og opbevarede disse prøver ved -20 ° C. Først udsatte holdet en enkelt cellesuspension fra den embryonale muse-neocortex for celleoverfladefarvning. Dernæst mikrodissekerede de det under et epifluorescens stereomikroskop. På denne måde opnåede de den elektroporerede region af neocortex. Endelig brugte holdet massespektrometri (MS) til at bestemme koncentrationerne af acetyl-coenzym A (acetyl-CoA) i bRG isoleret ved fluorescensaktiveret cellesortering (FACS).

Studieresultater

Selvfølgelig mangler museembryoet neocortex TKTL1-ekspression. Introduktion af hTKTL1-genet i neocortex af museembryoner øgede hyppigheden af ​​bRG uden at påvirke de basale mellemliggende progenitorer (bIP'er) og apikale progenitorpopulation, hvilket igen øgede cortical neuronproduktion over tid, især af sent udviklende øvre lag neuroner. Omvendt øgede aTKTL1, som kun adskilte sig med én aminosyre, ikke bRG-overflod.

Desuden fandt forfatterne, at hTKTL1-ekspression øgede bRG-overflod og andelen af ​​multiproces-bRG, et kendetegn for bRG, der kan være selvforstærkende, i udviklingen af ​​ilder-neocortex. Følgelig steg ilderens gyrusstørrelse.

Derudover observerede forskerne, at de aTKTL1-udtrykkende celleorganoider indeholdt færre bRG- og neuroprogenitorceller. Dette fund bekræftede, at lysin-til-arginin-substitutionen i hTKTL1 var essentiel for opretholdelsen af ​​bRG-populationen i denne humane hjernemodel. Ligeledes steg hTKTL1-ekspression i neuroprogenitorer under neurogenese i den humane føtale neocortex. Interessant nok var dette udtryk højere i den udviklende frontallap end i den udviklende occipitallap.

En anden interessant observation var, at hTKTL1 forbedrede bRG-populationen gennem to sekventielle metaboliske veje, pentosephosphatvejen (PPP) og fedtsyresyntese. Derfor, da forskerne undertrykte PPP- eller fedtsyresyntesevejene med en række specifikke inhibitorer, ophørte den hTKTL1-inducerede stigning i bRG-populationen i den embryonale muse-neocortex. Tilsvarende blev bRG-tal reduceret i humant føtalt neokortikalt væv.

Desuden fandt forfatterne, at hTKTL1-stimulerede bRG'er, men ikke aTKTL1-inducerede bRG'er, havde en højere koncentration af acetyl-CoA, en metabolit, der er afgørende for fedtsyresyntese. Således fremmede kun hTKTL1 syntesen af ​​membranlipider indeholdende en type fedtsyre, der kræves til udvæksten af ​​bRG-processer, hvilket øgede deres befolkning.

Konklusioner

Den aktuelle undersøgelse viste, hvad der adskiller neokortikal neurogenese hos moderne mennesker fra neandertalere. Selvom disse arkaiske mennesker havde samme hjerner (i størrelse) som moderne mennesker, resulterede en enkelt lysin-til-arginin-substitution i hTKTL1-genet i bRG-overflod, men ikke den for bIP'er, som igen genererede flere neokortikale neuroner i moderne mennesker. Desuden viste forskerne, at hTKTL1-effekten krævede PPP og fedtsyresyntese, og inhibering af disse veje reducerede bRG-overflod i føtalt humant neocorticalt væv.

Reference:

• 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

.