Rôle du gène transcétolase-like-1 dans le développement du cerveau humain moderne

Rôle du gène transcétolase-like-1 dans le développement du cerveau humain moderne

Dans une étude récemment publiée dans Science Les chercheurs ont montré comment l’expression du gène transketolase-like 1 (TKTL1) influence la neurogenèse néocorticale chez l’homme moderne.

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

arrière-plan

Il est intéressant de noter qu’une substitution d’un seul acide aminé dans TKTL1, de la lysine chez les singes et les humains archaïques à l’arginine chez les humains modernes, a modifié la fonction et l’organisation des couches cérébrales telles que le néocortex, en particulier dans le lobe frontal. Les changements évolutifs dans le néocortex cérébral et l'augmentation concomitante de la production de neurones ont amélioré les capacités cognitives des humains modernes. Les analyses Endocast ont montré que le volume endocrânien des humains modernes et des Néandertaliens était similaire, suggérant une taille similaire du néocortex. Cependant, les fossiles n’ont pas pu aider à évaluer si une taille similaire du néocortex impliquait une production similaire de neurones néocorticaux.

Une étude antérieure de Pinson et al. analysé l'effet d'un seul changement d'acide aminé dans la protéine TKTL1 sur la production de gliales radiales basales (bRG), les cellules qui forment la majeure partie du néocortex. Ils ont observé que dans les organoïdes, la variante humaine de TKTL1 (hTKTL1) générait plus de neuroprogéniteurs que la variante archaïque (aTKTL1) trouvée chez les Néandertaliens, les Dénisoviens et d’autres primates. C'est peut-être pour cela que les humains modernes ont plus de néocortex dans leur cerveau que les Néandertaliens.

À propos des études

Dans la présente étude, les chercheurs ont examiné le rôle de TKTL1 dans le développement du néocortex, qui à son tour influence le nombre de neuroprogéniteurs. De plus, ils ont déterminé si aTKTL1 et hTKTL1 avaient des effets similaires sur les neuroprogéniteurs au cours du développement du néocortex.

L’étude a utilisé la surexpression de gènes dans le développement du néocortex de la souris et du furet. De même, ils ont utilisé la technologie knock-out dans les tissus néocorticaux humains fœtaux et la technologie d’édition du génome pour étudier les organoïdes cérébraux.

En utilisant la technologie d'inactivation de hTKTL1 médiée par la protéine 9 (Cas9) associée à de courtes répétitions palindromiques groupées et régulièrement espacées (CRISPR), ils ont montré que l'inactivation de hTKTL1 dans le tissu néocortical humain fœtal réduisait de manière significative le nombre de brG. Ensuite, l’équipe a utilisé des organoïdes cérébraux pour valider leurs résultats. Ces mini-structures cérébrales fabriquées à partir de cellules souches embryonnaires humaines possédaient aTKTL1 au lieu de hTKTL1.

Plus précisément, l’équipe a obtenu de l’acide ribonucléique (ARN) total à partir d’organoïdes humains dérivés de H9 simulés et modifiés par des gènes. Ils ont utilisé la PCR quantitative en temps réel (qPCR) pour confirmer que ces organoïdes exprimaient l'ARN messager (ARNm) de TKTL1, suivi du séquençage Sanger des produits de PCR. Ils ont cartographié les organoïdes simulés et modifiés par des gènes sur le gène TKTL1 humain pour confirmer l'expression de l'ARNm de hTKTL1 dans les organoïdes humains modifiés par des gènes et de l'ARNm archéen de TKTL1 dans les organoïdes humains modifiés par des gènes.

Avant l’immunofluorescence, ils ont découpé des cryosections coronales d’une épaisseur de 20 à 50 µm à l’aide d’un cryostat et ont conservé ces échantillons à −20 °C. Tout d’abord, l’équipe a soumis une suspension de cellules uniques provenant du néocortex embryonnaire de souris à une coloration de la surface cellulaire. Ensuite, ils l’ont microdisséqué sous un stéréomicroscope à épifluorescence. De cette manière, ils ont obtenu la région électroporée du néocortex. Enfin, l’équipe a utilisé la spectrométrie de masse (MS) pour déterminer les concentrations d’acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA) dans le bRG isolé par tri cellulaire activé par fluorescence (FACS).

Résultats de l'étude

Bien entendu, le néocortex de l’embryon de souris est dépourvu d’expression de TKTL1. L'introduction du gène hTKTL1 dans le néocortex des embryons de souris a augmenté la fréquence de bRG sans affecter les progéniteurs intermédiaires basaux (bIP) et la population de progéniteurs apicaux, ce qui a à son tour augmenté la production de neurones corticaux au fil du temps, en particulier des neurones de la couche supérieure en développement tardif. À l’inverse, aTKTL1, qui ne différait que par un seul acide aminé, n’a pas augmenté l’abondance de bRG.

En outre, les auteurs ont constaté que l’expression de hTKTL1 augmentait l’abondance du bRG et la proportion de bRG multiprocessus, une caractéristique du bRG qui peut s’auto-renforcer, dans le développement du néocortex du furet. Par conséquent, la taille du gyrus du furet a augmenté.

De plus, les chercheurs ont observé que les organoïdes cellulaires exprimant aTKTL1 contenaient moins de cellules bRG et neuroprogénitrices. Cette découverte a confirmé que la substitution lysine en arginine dans hTKTL1 était essentielle au maintien de la population bRG dans ce modèle de cerveau humain. De même, l’expression de hTKTL1 a augmenté chez les neuroprogéniteurs au cours de la neurogenèse dans le néocortex fœtal humain. Il est intéressant de noter que cette expression était plus élevée dans le lobe frontal en développement que dans le lobe occipital en développement.

Une autre observation intéressante était que hTKTL1 augmentait la population de bRG par deux voies métaboliques séquentielles, la voie des pentoses phosphates (PPP) et la synthèse des acides gras. Par conséquent, lorsque les chercheurs ont supprimé les voies de synthèse des PPP ou des acides gras avec une série d’inhibiteurs spécifiques, l’augmentation induite par hTKTL1 de la population bRG dans le néocortex embryonnaire de souris a cessé. De même, les nombres de bRG ont été réduits dans le tissu néocortical fœtal humain.

De plus, les auteurs ont découvert que les bRG stimulés par hTKTL1, mais pas les bRG induits par aTKTL1, présentaient une concentration plus élevée d'acétyl-CoA, un métabolite crucial pour la synthèse des acides gras. Ainsi, seul hTKTL1 a favorisé la synthèse de lipides membranaires contenant un type d’acide gras nécessaire à la croissance des processus bRG, augmentant ainsi leur population.

Conclusions

L’étude actuelle a montré ce qui différencie la neurogenèse néocorticale chez les humains modernes de celle des Néandertaliens. Bien que ces humains archaïques aient un cerveau similaire (en taille) à celui des humains modernes, une seule substitution de lysine en arginine dans le gène hTKTL1 a entraîné une abondance de bRG mais pas celle de bIP, ce qui a généré davantage de neurones néocorticaux chez les humains modernes. En outre, les chercheurs ont montré que l’effet hTKTL1 nécessitait la synthèse de PPP et d’acides gras, et que l’inhibition de ces voies réduisait l’abondance de bRG dans le tissu néocortical humain fœtal.

Référence:

• 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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