Uloga transketolaze-like-1 gena u razvoju modernog ljudskog mozga

Uloga transketolaze-like-1 gena u razvoju modernog ljudskog mozga

U nedavno objavljenoj studiji u Znanost Istraživači su pokazali kako ekspresija gena nalik na transketolazu 1 (TKTL1) utječe na neokortikalnu neurogenezu u modernih ljudi.

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

pozadina

Zanimljivo je da je jedna supstitucija aminokiseline u TKTL1, od lizina kod majmuna i starih ljudi do arginina kod modernih ljudi, promijenila funkciju i organizaciju slojeva mozga kao što je neokorteks, osobito u frontalnom režnju. Evolucijske promjene u neokorteksu mozga i popratno povećanje proizvodnje neurona poboljšali su kognitivne sposobnosti modernih ljudi. Endocast analize su pokazale da je endokranijalni volumen modernih ljudi i neandertalaca bio sličan, što ukazuje na sličnu veličinu neokorteksa. Međutim, fosili nisu mogli pomoći u procjeni je li slična veličina neokorteksa implicirala sličnu proizvodnju neokortikalnog neurona.

Prethodno istraživanje Pinsona i sur. analizirali su učinak promjene jedne aminokiseline u proteinu TKTL1 na proizvodnju bazalne radijalne glije (bRG), stanica koje čine najveći dio neokorteksa. Primijetili su da je u organoidima ljudska varijanta TKTL1 (hTKTL1) stvorila više neuroprogenitora nego arhaična varijanta (aTKTL1) pronađena kod neandertalaca, denisovaca i drugih primata. Možda zato moderni ljudi imaju više neokorteksa u mozgu nego neandertalci.

O studiranju

U ovoj studiji znanstvenici su ispitivali ulogu TKTL1 u razvoju neokorteksa, koji zauzvrat utječe na broj neuroprogenitora. Osim toga, utvrdili su imaju li aTKTL1 i hTKTL1 slične učinke na neuroprogenitore tijekom razvoja neokorteksa.

Studija je koristila prekomjernu ekspresiju gena u razvoju neokorteksa miševa i tvorova. Isto tako, koristili su knockout tehnologiju u fetalnom ljudskom neokortikalnom tkivu i tehnologiju uređivanja genoma za proučavanje cerebralnih organoida.

Koristeći tehnologiju izbacivanja hTKTL1 posredovanu s grupiranim redovito razmaknutim kratkim palindromskim ponavljanjima (CRISPR)-CRISPR-om povezanim s proteinom 9 (Cas9), pokazali su da izbacivanje hTKTL1 u fetalnom ljudskom neokortikalnom tkivu značajno smanjuje broj brG. Zatim je tim upotrijebio cerebralne organoide za potvrdu svojih rezultata. Ove mini-moždane strukture napravljene od ljudskih embrionalnih matičnih stanica imale su aTKTL1 umjesto hTKTL1.

Točnije, tim je dobio ukupnu ribonukleinsku kiselinu (RNA) iz lažnih i genski uređenih ljudskih organoida izvedenih iz H9. Koristili su kvantitativni PCR u stvarnom vremenu (qPCR) kako bi potvrdili da ovi organoidi izražavaju TKTL1 glasničku RNK (mRNA), nakon čega je uslijedilo Sangerovo sekvenciranje PCR proizvoda. Oni su mapirali lažne i genski uređene organoide na ljudski gen TKTL1 kako bi potvrdili ekspresiju hTKTL1 mRNA u lažno uređenim ljudskim organoidima i arhealnu TKTL1 mRNA u genski uređenim ljudskim organoidima.

Prije imunofluorescencije, izrezali su koronalne kriosekcije debljine 20-50 μm pomoću kriostata i pohranili te uzorke na -20 °C. Prvo je tim podvrgao suspenziju jedne stanice iz neokorteksa embrija miša bojenju na površini stanice. Zatim su ga mikrodisecirali pod epifluorescentnim stereomikroskopom. Na taj su način dobili elektroporirano područje neokorteksa. Konačno, tim je upotrijebio masenu spektrometriju (MS) za određivanje koncentracije acetil-koenzima A (acetil-CoA) u bRG izoliranom sortiranjem stanica aktiviranim fluorescencijom (FACS).

Rezultati studije

Naravno, neokorteksu mišjeg embrija nedostaje ekspresija TKTL1. Uvođenje gena hTKTL1 u neokorteks mišjih embrija povećalo je učestalost bRG-a bez utjecaja na bazalne intermedijarne progenitore (bIP) i populaciju apikalnih progenitora, što je zauzvrat povećalo proizvodnju kortikalnih neurona tijekom vremena, osobito kasno razvijenih neurona gornjeg sloja. Nasuprot tome, aTKTL1, koji se razlikovao po samo jednoj aminokiselini, nije povećao obilje bRG-a.

Nadalje, autori su otkrili da je ekspresija hTKTL1 povećala brojnost bRG-a i udio višeprocesnog bRG-a, obilježja bRG-a koji se može samoojačati, u razvoju neokorteksa tvorova. Posljedično se povećala veličina vijuge tvora.

Osim toga, istraživači su primijetili da stanični organoidi koji eksprimiraju aTKTL1 sadrže manje bRG i neuroprogenitorskih stanica. Ovo je otkriće potvrdilo da je supstitucija lizina u arginin u hTKTL1 bila bitna za održavanje bRG populacije u ovom modelu ljudskog mozga. Slično, ekspresija hTKTL1 povećana je u neuroprogenitorima tijekom neurogeneze u neokorteksu ljudskog fetusa. Zanimljivo je da je ova ekspresija bila veća u frontalnom režnju u razvoju nego u okcipitalnom režnju u razvoju.

Drugo zanimljivo zapažanje bilo je da je hTKTL1 povećao bRG populaciju kroz dva uzastopna metabolička puta, put pentozo fosfata (PPP) i sintezu masnih kiselina. Stoga, kada su istraživači potisnuli PPP ili puteve sinteze masnih kiselina nizom specifičnih inhibitora, hTKTL1-inducirano povećanje bRG populacije u embrionalnom mišjem neokorteksu je prestalo. Slično, brojevi bRG su smanjeni u neokortikalnom tkivu ljudskog fetusa.

Nadalje, autori su otkrili da bRGs stimulirani hTKTL1, ali ne bRGs inducirani aTKTL1, imaju višu koncentraciju acetil-CoA, metabolita ključnog za sintezu masnih kiselina. Stoga je samo hTKTL1 pospješio sintezu membranskih lipida koji sadrže vrstu masne kiseline potrebne za prerastanje bRG procesa, povećavajući njihovu populaciju.

Zaključci

Trenutna studija pokazala je što razlikuje neokortikalnu neurogenezu kod modernih ljudi od neandertalaca. Iako su ti arhaični ljudi imali slične mozgove (po veličini) kao moderni ljudi, jedna supstitucija lizina u arginin u genu hTKTL1 rezultirala je obiljem bRG-a, ali ne i bIP-ovima, koji su zauzvrat generirali više neokortikalnih neurona u modernih ljudi. Nadalje, istraživači su pokazali da učinak hTKTL1 zahtijeva sintezu PPP-a i masnih kiselina, a inhibicija ovih putova smanjuje obilje bRG-a u fetalnom ljudskom neokortikalnom tkivu.

Referenca:

• 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

.