Transketolaasilaadse-1 geeni roll kaasaegse inimese aju arengus

Transketolaasilaadse-1 geeni roll kaasaegse inimese aju arengus

Hiljuti avaldatud uuringus aastal Teadus Teadlased näitasid, kuidas transketolaasilaadse 1 (TKTL1) geeniekspressioon mõjutab neokortikaalset neurogeneesi tänapäeva inimestel.

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

taustal

Huvitav on see, et üks aminohappe asendus TKTL1-s, alates lüsiinist ahvidel ja arhailistel inimestel kuni arginiinini tänapäeva inimestel, muutis ajukihtide, näiteks neokorteksi, funktsiooni ja korraldust, eriti otsmikusagaras. Evolutsioonilised muutused aju neokorteksis ja sellega kaasnev neuronite tootmise suurenemine parandasid tänapäeva inimese kognitiivseid võimeid. Endokastide analüüsid on näidanud, et tänapäeva inimeste ja neandertallaste endokraniaalne maht oli sarnane, mis viitab neokorteksi sarnasele suurusele. Siiski ei saanud fossiilid aidata hinnata, kas sarnane neokorteksi suurus eeldas sarnast neokortikaalsete neuronite tootmist.

Eelmine uuring Pinsoni jt poolt. analüüsis TKTL1 valgu ühe aminohappe muutuse mõju basaalradiaalse glia (bRG) tootmisele, rakkudele, mis moodustavad suurema osa neokorteksist. Nad täheldasid, et organoidides tekitas TKTL1 inimese variant (hTKTL1) rohkem neuroprogenitoreid kui arhailine variant (aTKTL1), mida leidub neandertallastel, denisovanlastel ja teistel primaatidel. Võib-olla sellepärast on tänapäeva inimestel ajus rohkem neokorteksi kui neandertallastel.

Õppimisest

Käesolevas uuringus uurisid teadlased TKTL1 rolli neokorteksi arengus, mis omakorda mõjutab neuroprogenitorite arvu. Lisaks tegid nad kindlaks, kas aTKTL1 ja hTKTL1 avaldavad neokorteksi arengu ajal neuroprogenitoritele sarnast mõju.

Uuringus kasutati hiirte ja tuhkrute neokorteksi väljatöötamisel geenide üleekspressiooni. Samuti kasutasid nad ajuorganoidide uurimiseks inimese loote neokortikaalses koes ja genoomi redigeerimise tehnoloogiat.

Kasutades rühmitatud korrapäraselt eraldatud lühikesi palindroomseid kordusi (CRISPR) - CRISPR-iga seotud valgu 9 (Cas9) vahendatud hTKTL1 knockout tehnoloogiat, näitasid nad, et hTKTL1 knockout loote inimese neokortikaalses koes vähendas oluliselt brG arvu. Järgmisena kasutas meeskond oma tulemuste kinnitamiseks ajuorganoide. Nendel inimese embrüonaalsetest tüvirakkudest valmistatud miniaju struktuuridel oli hTKTL1 asemel aTKTL1.

Täpsemalt, meeskond sai kogu ribonukleiinhappe (RNA) võltsitud ja geeniga redigeeritud H9-st saadud inimese organoididest. Nad kasutasid kvantitatiivset reaalajas PCR-i (qPCR), et kinnitada, et need organoidid ekspresseerisid TKTL1 messenger RNA-d (mRNA), millele järgnes PCR-produktide Sangeri sekveneerimine. Nad kaardistasid pilatud ja geeniga redigeeritud organoidid inimese TKTL1 geeniga, et kinnitada hTKTL1 mRNA ekspressiooni imiteeritud inimese organoidides ja arheaalse TKTL1 mRNA ekspressiooni geeniga redigeeritud inimese organoidides.

Enne immunofluorestsentsi lõikasid nad krüostaadi abil 20–50 μm paksused koronaalsed krüolõiked ja säilitasid neid proove temperatuuril –20 °C. Esiteks värvis meeskond hiire embrüonaalse neokorteksi ühe raku suspensiooni rakupinna värvimisega. Järgmisena lõikasid nad selle epifluorestsents-stereomikroskoobi all mikrodissekteerimiseks. Sel viisil said nad neokorteksi elektroporeeritud piirkonna. Lõpuks kasutas meeskond massispektromeetriat (MS), et määrata atsetüülkoensüüm A (atsetüül-CoA) kontsentratsioonid fluorestsents-aktiveeritud rakkude sorteerimisega (FACS) eraldatud bRG-s.

Uuringu tulemused

Muidugi puudub hiire embrüo neokorteksil TKTL1 ekspressioon. HTKTL1 geeni sisestamine hiire embrüote neokorteksisse suurendas bRG sagedust, mõjutamata basaalseid vahepealseid eellasorganisme (bIP-sid) ja apikaalseid eellaspopulatsiooni, mis omakorda suurendas aja jooksul kortikaalsete neuronite tootmist, eriti hilises arengujärgus ülemise kihi neuronites. Seevastu aTKTL1, mis erines ainult ühe aminohappe võrra, ei suurendanud bRG arvukust.

Lisaks leidsid autorid, et hTKTL1 ekspressioon suurendas tuhkru neokorteksi arendamisel bRG arvukust ja mitmeprotsessilise bRG osakaalu, mis on bRG tunnus, mis võib olla isetugevdatav. Sellest tulenevalt suurenes tuhkru gyruse suurus.

Lisaks täheldasid teadlased, et aTKTL1 ekspresseerivad rakuorganoidid sisaldasid vähem bRG-d ja neuroprogenitorrakke. See leid kinnitas, et lüsiini-arginiini asendus hTKTL1-s oli selles inimese ajumudelis bRG populatsiooni säilitamiseks hädavajalik. Samamoodi suurenes hTKTL1 ekspressioon neuroprogenitorites inimese loote neokorteksi neurogeneesi ajal. Huvitaval kombel oli see ekspressioon arenevas otsmikusagaras kõrgem kui arenevas kuklasagaras.

Veel üks huvitav tähelepanek oli see, et hTKTL1 suurendas bRG populatsiooni kahe järjestikuse metaboolse raja, pentoosfosfaadi raja (PPP) ja rasvhapete sünteesi kaudu. Seetõttu, kui teadlased pärssisid PPP või rasvhapete sünteesi radasid spetsiifiliste inhibiitoritega, lakkas hTKTL1-indutseeritud bRG populatsiooni suurenemine embrüonaalses hiire neokorteksis. Samamoodi vähenes bRG arv inimese loote neokortikaalses koes.

Lisaks leidsid autorid, et hTKTL1-stimuleeritud bRG-del, kuid mitte aTKTL1-indutseeritud bRG-del, oli kõrgem atsetüül-CoA kontsentratsioon, mis on rasvhapete sünteesi jaoks ülioluline metaboliit. Seega soodustas ainult hTKTL1 membraanilipiidide sünteesi, mis sisaldasid teatud tüüpi rasvhappeid, mis on vajalikud bRG protsesside väljakasvuks, suurendades nende populatsiooni.

Järeldused

Praegune uuring näitas, mis eristab neokortikaalset neurogeneesi tänapäeva inimestel neandertallastest. Kuigi nendel arhailistel inimestel oli aju (suuruselt) sarnane tänapäevase inimesega, põhjustas hTKTL1 geeni üks lüsiini-arginiini asendus bRG arvukuse, kuid mitte bIP-de arvukuse, mis omakorda tekitas kaasaegsetel inimestel rohkem neokortikaalseid neuroneid. Lisaks näitasid teadlased, et hTKTL1 efekt nõudis PPP ja rasvhapete sünteesi ning nende radade pärssimine vähendas bRG arvukust inimese loote neokortikaalses koes.

Viide:

• 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

.