Papel del gen transcetolasa tipo 1 en el desarrollo del cerebro humano moderno

Papel del gen transcetolasa tipo 1 en el desarrollo del cerebro humano moderno

En un estudio publicado recientemente en Ciencia Los investigadores demostraron cómo la expresión del gen transcetolasa tipo 1 (TKTL1) influye en la neurogénesis neocortical en los humanos modernos.

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

fondo

Curiosamente, una única sustitución de un aminoácido en TKTL1, desde lisina en monos y humanos arcaicos hasta arginina en humanos modernos, alteró la función y organización de capas cerebrales como la neocorteza, particularmente en el lóbulo frontal. Los cambios evolutivos en la neocorteza del cerebro y el consiguiente aumento en la producción de neuronas mejoraron las capacidades cognitivas de los humanos modernos. Los análisis de Endocast han demostrado que el volumen endocraneal de los humanos modernos y los neandertales era similar, lo que sugiere un tamaño similar de la neocorteza. Sin embargo, los fósiles no pudieron ayudar a evaluar si un tamaño de neocorteza similar implicaba una producción de neuronas neocorticales similar.

Un estudio previo de Pinson et al. analizaron el efecto de un cambio de un solo aminoácido en la proteína TKTL1 sobre la producción de glía radial basal (bRG), las células que forman la mayor parte de la neocorteza. Observaron que en los organoides, la variante humana de TKTL1 (hTKTL1) generaba más neuroprogenitores que la variante arcaica (aTKTL1) encontrada en neandertales, denisovanos y otros primates. Quizás por eso los humanos modernos tienen más neocórtex en el cerebro que los neandertales.

Sobre estudiar

En el presente estudio, los investigadores examinaron el papel de TKTL1 en el desarrollo de la neocorteza, que a su vez influye en la cantidad de neuroprogenitores. Además, determinaron si aTKTL1 y hTKTL1 tienen efectos similares sobre los neuroprogenitores durante el desarrollo de la neocorteza.

El estudio utilizó la sobreexpresión genética en el desarrollo de la neocorteza de ratones y hurones. Asimismo, utilizaron tecnología knockout en tejido neocortical humano fetal y tecnología de edición del genoma para estudiar organoides cerebrales.

Utilizando la tecnología de eliminación de hTKTL1 mediada por repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR) -proteína 9 asociada a CRISPR (Cas9), demostraron que la eliminación de hTKTL1 en tejido neocortical humano fetal reducía significativamente los números de brG. A continuación, el equipo utilizó organoides cerebrales para validar sus resultados. Estas miniestructuras cerebrales creadas a partir de células madre embrionarias humanas tenían aTKTL1 en lugar de hTKTL1.

Específicamente, el equipo obtuvo ácido ribonucleico (ARN) total a partir de organoides humanos derivados de H9 simulados y editados genéticamente. Utilizaron PCR cuantitativa en tiempo real (qPCR) para confirmar que estos organoides expresaban ARN mensajero (ARNm) de TKTL1, seguido de la secuenciación de Sanger de los productos de PCR. Mapearon organoides simulados y editados genéticamente en el gen TKTL1 humano para confirmar la expresión del ARNm de hTKTL1 en los organoides humanos editados simuladamente y del ARNm de TKTL1 arqueal en los organoides humanos editados genéticamente.

Antes de la inmunofluorescencia, cortaron criosecciones coronales con un espesor de 20 a 50 μm utilizando un criostato y almacenaron estas muestras a -20 °C. En primer lugar, el equipo sometió una suspensión de células individuales del neocórtex embrionario de ratón a tinción de la superficie celular. A continuación, lo microdiseccionaron bajo un estereomicroscopio de epifluorescencia. De esta forma obtuvieron la región electroporada del neocórtex. Finalmente, el equipo utilizó espectrometría de masas (MS) para determinar las concentraciones de acetil-coenzima A (acetil-CoA) en el bRG aislado mediante clasificación de células activadas por fluorescencia (FACS).

Resultados del estudio

Por supuesto, la neocorteza del embrión de ratón carece de expresión de TKTL1. La introducción del gen hTKTL1 en la neocorteza de embriones de ratón aumentó la frecuencia de bRG sin afectar a los progenitores intermedios basales (bIP) ni a la población de progenitores apicales, lo que a su vez aumentó la producción de neuronas corticales con el tiempo, particularmente de las neuronas de la capa superior de desarrollo tardío. Por el contrario, aTKTL1, que difería solo en un aminoácido, no aumentó la abundancia de bRG.

Además, los autores descubrieron que la expresión de hTKTL1 aumentaba la abundancia de bRG y la proporción de bRG multiproceso, un sello distintivo de bRG que puede autorreforzarse, en el desarrollo de la neocorteza del hurón. En consecuencia, el tamaño de la circunvolución del hurón aumentó.

Además, los investigadores observaron que los organoides celulares que expresan aTKTL1 contenían menos bRG y células neuroprogenitoras. Este hallazgo confirmó que la sustitución de lisina por arginina en hTKTL1 era esencial para el mantenimiento de la población de bRG en este modelo de cerebro humano. Asimismo, la expresión de hTKTL1 aumentó en los neuroprogenitores durante la neurogénesis en la neocorteza fetal humana. Curiosamente, esta expresión fue mayor en el lóbulo frontal en desarrollo que en el lóbulo occipital en desarrollo.

Otra observación interesante fue que hTKTL1 mejoró la población de bRG a través de dos vías metabólicas secuenciales, la vía de las pentosas fosfato (PPP) y la síntesis de ácidos grasos. Por lo tanto, cuando los investigadores suprimieron las vías de síntesis de PPP o ácidos grasos con una serie de inhibidores específicos, cesó el aumento inducido por hTKTL1 en la población de bRG en la neocorteza embrionaria del ratón. De manera similar, los números de bRG se redujeron en el tejido neocortical fetal humano.

Además, los autores descubrieron que las bRG estimuladas por hTKTL1, pero no las inducidas por aTKTL1, tenían una mayor concentración de acetil-CoA, un metabolito crucial para la síntesis de ácidos grasos. Por lo tanto, solo hTKTL1 promovió la síntesis de lípidos de membrana que contienen un tipo de ácido graso necesario para el desarrollo de procesos bRG, aumentando su población.

Conclusiones

El estudio actual mostró lo que diferencia la neurogénesis neocortical en los humanos modernos de los neandertales. Aunque estos humanos arcaicos tenían cerebros similares (en tamaño) a los de los humanos modernos, una única sustitución de lisina por arginina en el gen hTKTL1 dio como resultado una abundancia de bRG, pero no de bIP, que a su vez generó más neuronas neocorticales en los humanos modernos. Además, los investigadores demostraron que el efecto hTKTL1 requería la síntesis de PPP y ácidos grasos, y la inhibición de estas vías reducía la abundancia de bRG en el tejido neocortical humano fetal.

Referencia:

• 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

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