Ο ρόλος του γονιδίου που μοιάζει με τρανσκετολάση-1 στην ανάπτυξη του σύγχρονου ανθρώπινου εγκεφάλου

Ο ρόλος του γονιδίου που μοιάζει με τρανσκετολάση-1 στην ανάπτυξη του σύγχρονου ανθρώπινου εγκεφάλου

Σε μια πρόσφατα δημοσιευμένη μελέτη στο Επιστήμη Οι ερευνητές έδειξαν πώς η έκφραση του γονιδίου τύπου τρανσκετολάσης 1 (TKTL1) επηρεάζει τη νεοφλοιώδη νευρογένεση στους σύγχρονους ανθρώπους.

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

φόντο

Είναι ενδιαφέρον ότι μια απλή υποκατάσταση αμινοξέος στο TKTL1, από τη λυσίνη στους πιθήκους και τους αρχαϊκούς ανθρώπους στην αργινίνη στους σύγχρονους ανθρώπους, άλλαξε τη λειτουργία και την οργάνωση των στιβάδων του εγκεφάλου όπως ο νεοφλοιός, ιδιαίτερα στον μετωπιαίο λοβό. Οι εξελικτικές αλλαγές στον νεοφλοιό του εγκεφάλου και η συνακόλουθη αύξηση της παραγωγής νευρώνων βελτίωσαν τις γνωστικές ικανότητες των σύγχρονων ανθρώπων. Οι αναλύσεις Endocast έδειξαν ότι ο ενδοκράνιος όγκος του σύγχρονου ανθρώπου και των Νεάντερταλ ήταν παρόμοιος, υποδηλώνοντας παρόμοιο μέγεθος του νεοφλοιού. Ωστόσο, τα απολιθώματα δεν μπορούσαν να βοηθήσουν στην αξιολόγηση του εάν παρόμοιο μέγεθος νεοφλοιού υποδηλώνει παρόμοια παραγωγή νεοφλοιώδους νευρώνα.

Μια προηγούμενη μελέτη από τους Pinson et al. ανέλυσε την επίδραση μιας μόνο αλλαγής αμινοξέος στην πρωτεΐνη TKTL1 στην παραγωγή βασικής ακτινωτής γλοίας (bRG), των κυττάρων που σχηματίζουν το μεγαλύτερο μέρος του νεοφλοιού. Παρατήρησαν ότι στα οργανοειδή, η ανθρώπινη παραλλαγή του TKTL1 (hTKTL1) παρήγαγε περισσότερους νευροπρογονικούς παράγοντες από την αρχαϊκή παραλλαγή (aTKTL1) που βρέθηκε σε Νεάντερταλ, Ντενίσοβαν και άλλα πρωτεύοντα. Ίσως γι' αυτό οι σύγχρονοι άνθρωποι έχουν περισσότερο νεοφλοιό στον εγκέφαλό τους από τους Νεάντερταλ.

Σχετικά με τη μελέτη

Στην παρούσα μελέτη, οι ερευνητές εξέτασαν τον ρόλο του TKTL1 στην ανάπτυξη του νεοφλοιού, ο οποίος με τη σειρά του επηρεάζει τον αριθμό των νευροπρογονικών παραγόντων. Επιπλέον, προσδιόρισαν εάν το aTKTL1 και το hTKTL1 έχουν παρόμοια αποτελέσματα στους νευροπρογονικούς παράγοντες κατά την ανάπτυξη του νεοφλοιού.

Η μελέτη χρησιμοποίησε υπερέκφραση γονιδίων στην ανάπτυξη νεοφλοιού ποντικού και κουνάβι. Ομοίως, χρησιμοποίησαν τεχνολογία νοκ-άουτ σε ανθρώπινο νεοφλοιώδες ιστό εμβρύου και τεχνολογία επεξεργασίας γονιδιώματος για τη μελέτη των εγκεφαλικών οργανοειδών.

Χρησιμοποιώντας ομαδοποιημένες τακτικά διακεκομμένες σύντομες παλινδρομικές επαναλήψεις (CRISPR)-CRISPR-σχετιζόμενες με την πρωτεΐνη 9 (Cas9) της τεχνολογίας hTKTL1 knockout, έδειξαν ότι το knockout hTKTL1 στον ανθρώπινο νεοφλοιώδη ιστό του εμβρύου μείωσε σημαντικά τους αριθμούς brG. Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε εγκεφαλικά οργανοειδή για να επικυρώσει τα αποτελέσματά της. Αυτές οι δομές μίνι εγκεφάλου που κατασκευάστηκαν από ανθρώπινα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα είχαν aTKTL1 αντί για hTKTL1.

Συγκεκριμένα, η ομάδα έλαβε ολικό ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) από ψευδή και γονιδιακά επεξεργασμένα ανθρώπινα οργανοειδή που προέρχονται από H9. Χρησιμοποίησαν ποσοτική PCR πραγματικού χρόνου (qPCR) για να επιβεβαιώσουν ότι αυτά τα οργανοειδή εξέφραζαν αγγελιοφόρο RNA TKTL1 (mRNA), ακολουθούμενη από αλληλουχία Sanger των προϊόντων PCR. Χαρτογράφησαν ψευδή και γονιδιακά επεξεργασμένα οργανοειδή στο ανθρώπινο γονίδιο TKTL1 για να επιβεβαιώσουν την έκφραση του hTKTL1 mRNA στα ανθρώπινα οργανοειδή με ψευδή επεξεργασία και του αρχαϊκού mRNA του TKTL1 στα ανθρώπινα οργανοειδή με γονιδιακή επεξεργασία.

Πριν από τον ανοσοφθορισμό, έκοψαν στεφανιαίες κρυοτομές με πάχος 20-50 μm χρησιμοποιώντας έναν κρυοστάτη και αποθήκευσαν αυτά τα δείγματα στους -20 °C. Αρχικά, η ομάδα υπέβαλε ένα εναιώρημα μεμονωμένων κυττάρων από τον εμβρυϊκό νεοφλοιό ποντικού σε χρώση της κυτταρικής επιφάνειας. Στη συνέχεια, το μικροτεμάχησαν κάτω από ένα στερεομικροσκόπιο επιφθορισμού. Με αυτόν τον τρόπο απέκτησαν την ηλεκτροδιάτρητη περιοχή του νεοφλοιού. Τέλος, η ομάδα χρησιμοποίησε φασματομετρία μάζας (MS) για να προσδιορίσει τις συγκεντρώσεις του ακετυλο-συνενζύμου Α (acetyl-CoA) στο bRG που απομονώθηκε με διαλογή κυττάρων ενεργοποιημένης με φθορισμό (FACS).

Αποτελέσματα μελέτης

Φυσικά, ο νεοφλοιός εμβρύου ποντικού στερείται έκφρασης TKTL1. Η εισαγωγή του γονιδίου hTKTL1 στον νεοφλοιό των εμβρύων ποντικού αύξησε τη συχνότητα του bRG χωρίς να επηρεάσει τους βασικούς ενδιάμεσους προγονικούς προγόνους (bIPs) και τον πληθυσμό των κορυφαίων προγονικών, γεγονός που με τη σειρά του αύξησε την παραγωγή νευρώνων του φλοιού με την πάροδο του χρόνου, ιδιαίτερα των όψιμων αναπτυσσόμενων νευρώνων της ανώτερης στιβάδας. Αντίθετα, το aTKTL1, το οποίο διέφερε μόνο κατά ένα αμινοξύ, δεν αύξησε την αφθονία του bRG.

Επιπλέον, οι συγγραφείς διαπίστωσαν ότι η έκφραση του hTKTL1 αύξησε την αφθονία του bRG και την αναλογία του bRG πολλαπλών διεργασιών, χαρακτηριστικό του bRG που μπορεί να είναι αυτοενισχυτικό, στην ανάπτυξη νεοφλοιού κουνάβι. Κατά συνέπεια, το μέγεθος της έλικας του κουνάβι αυξήθηκε.

Επιπλέον, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα οργανοειδή κυττάρων που εκφράζουν το aTKTL1 περιείχαν λιγότερα bRG και νευροπρογονικά κύτταρα. Αυτό το εύρημα επιβεβαίωσε ότι η υποκατάσταση λυσίνης σε αργινίνη στο hTKTL1 ήταν απαραίτητη για τη διατήρηση του πληθυσμού bRG σε αυτό το μοντέλο ανθρώπινου εγκεφάλου. Ομοίως, η έκφραση του hTKTL1 αυξήθηκε στους νευροπρογονικούς παράγοντες κατά τη διάρκεια της νευρογένεσης στον ανθρώπινο εμβρυϊκό νεοφλοιό. Είναι ενδιαφέρον ότι αυτή η έκφραση ήταν υψηλότερη στον αναπτυσσόμενο μετωπιαίο λοβό παρά στον αναπτυσσόμενο ινιακό λοβό.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα παρατήρηση ήταν ότι το hTKTL1 ενίσχυσε τον πληθυσμό bRG μέσω δύο διαδοχικών μεταβολικών οδών, της οδού φωσφορικής πεντόζης (PPP) και της σύνθεσης λιπαρών οξέων. Επομένως, όταν οι ερευνητές κατέστειλαν τις οδούς σύνθεσης PPP ή λιπαρών οξέων με μια σειρά ειδικών αναστολέων, η επαγόμενη από το hTKTL1 αύξηση στον πληθυσμό bRG στον εμβρυϊκό νεοφλοιό ποντικού σταμάτησε. Ομοίως, οι αριθμοί brG μειώθηκαν στον νεοφλοιώδη ιστό του ανθρώπινου εμβρύου.

Επιπλέον, οι συγγραφείς διαπίστωσαν ότι τα bRGs που διεγείρονται από το hTKTL1, αλλά όχι τα bRGs που προκαλούνται από το TKTL1, είχαν υψηλότερη συγκέντρωση ακετυλο-CoA, ενός μεταβολίτη ζωτικής σημασίας για τη σύνθεση λιπαρών οξέων. Έτσι, μόνο το hTKTL1 προώθησε τη σύνθεση μεμβρανικών λιπιδίων που περιέχουν έναν τύπο λιπαρού οξέος που απαιτείται για την ανάπτυξη των διεργασιών bRG, αυξάνοντας τον πληθυσμό τους.

συμπεράσματα

Η τρέχουσα μελέτη έδειξε τι διαφοροποιεί τη νεοφλοιώδη νευρογένεση στους σύγχρονους ανθρώπους από τους Νεάντερταλ. Αν και αυτοί οι αρχαϊκοί άνθρωποι είχαν παρόμοιο εγκέφαλο (σε μέγεθος) με τους σύγχρονους ανθρώπους, μια ενιαία υποκατάσταση λυσίνης σε αργινίνη στο γονίδιο hTKTL1 είχε ως αποτέλεσμα την αφθονία bRG αλλά όχι αυτή των bIPs, που με τη σειρά τους δημιούργησε περισσότερους νεοφλοιώδεις νευρώνες στους σύγχρονους ανθρώπους. Επιπλέον, οι ερευνητές έδειξαν ότι η επίδραση του hTKTL1 απαιτούσε σύνθεση PPP και λιπαρών οξέων και η αναστολή αυτών των οδών μείωσε την αφθονία του bRG στον ανθρώπινο νεοφλοιώδη ιστό του εμβρύου.

Αναφορά:

• 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

.