A transzketoláz-szerű-1 gén szerepe a modern emberi agy fejlődésében

A transzketoláz-szerű-1 gén szerepe a modern emberi agy fejlődésében

Egy nemrégiben megjelent tanulmányban Tudomány A kutatók kimutatták, hogy a transzketoláz-szerű 1 (TKTL1) gén expressziója hogyan befolyásolja a neokortikális neurogenezist modern emberben.

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

háttér

Érdekes módon a TKTL1 egyetlen aminosav szubsztitúciója, a majmok és az archaikus emberek lizinjétől a modern ember argininjéig megváltoztatta az agyi rétegek, például a neokortex működését és szerveződését, különösen a homloklebenyben. Az agy neokortexében bekövetkezett evolúciós változások és az ezzel járó neurontermelés növekedése javította a modern ember kognitív képességeit. Az endocast elemzések kimutatták, hogy a modern emberek és a neandervölgyiek endokraniális térfogata hasonló volt, ami a neokortex hasonló méretére utal. A kövületek azonban nem tudták segíteni annak felmérésében, hogy a hasonló neocortex mérete hasonló neokortikális neurontermelést jelent-e.

Pinson és munkatársai egy korábbi tanulmánya. elemezte a TKTL1 fehérjében bekövetkező egyetlen aminosav változás hatását a bazális radiális glia (bRG) termelődésére, a neokortex nagy részét alkotó sejtekre. Megfigyelték, hogy az organoidokban a TKTL1 humán változata (hTKTL1) több neuroprogenitort generált, mint a neandervölgyieknél, denisovánoknál és más főemlősöknél található archaikus változat (aTKTL1). Talán ezért van az, hogy a modern emberek agyában több neokortex található, mint a neandervölgyiek.

A tanulásról

Jelen tanulmányban a kutatók a TKTL1 szerepét vizsgálták a neocortex kialakulásában, ami viszont befolyásolja a neuroprogenitorok számát. Ezenkívül meghatározták, hogy az aTKTL1 és a hTKTL1 hasonló hatással van-e a neuroprogenitorokra a neocortex fejlődése során.

A tanulmány a gén túlzott expresszióját alkalmazta egér és görény neokortexének fejlesztésében. Hasonlóképpen, knockout technológiát alkalmaztak a magzati humán neokortikális szövetekben és genomszerkesztési technológiát az agyi organoidok tanulmányozására.

A klaszterezett, szabályosan interspaced short palindromikus ismétlődések (CRISPR) – CRISPR-asszociált protein 9 (Cas9) által közvetített hTKTL1 knockout technológia segítségével kimutatták, hogy a hTKTL1 knockout a magzati humán neokortikális szövetben jelentősen csökkentette a brG számát. Ezután a csapat agyi organoidokat használt az eredmények érvényesítésére. Ezek az emberi embrionális őssejtekből készült mini-agyi struktúrák aTKTL1-et tartalmaztak a hTKTL1 helyett.

Pontosabban, a csapat a teljes ribonukleinsavat (RNS-t) ál- és génszerkesztett H9-eredetű humán organoidokból szerezte be. Kvantitatív valós idejű PCR-t (qPCR) alkalmaztak annak igazolására, hogy ezek az organoidok TKTL1 hírvivő RNS-t (mRNS) expresszáltak, majd a PCR-termékek Sanger-szekvenálását követték. Ál- és génszerkesztett organoidokat térképeztek fel a humán TKTL1 génre, hogy megerősítsék a hTKTL1 mRNS expresszióját az álszerkesztett humán organoidokban és az archaeális TKTL1 mRNS expresszióját a génszerkesztett humán organoidokban.

Az immunfluoreszcenciát megelőzően kriosztáttal 20-50 μm vastag koronális kriometszeteket vágtak, és ezeket a mintákat –20 °C-on tárolták. Először a csapat az embrionális egér neokortexéből származó egyetlen sejtszuszpenziót vetette alá sejtfelszíni festésnek. Ezután egy epifluoreszcens sztereomikroszkóp alatt mikroboncolták. Ily módon megkapták a neokortex elektroporált régióját. Végül a csapat tömegspektrometriát (MS) használt az acetil-koenzim A (acetil-CoA) koncentrációjának meghatározására a fluoreszcenciával aktivált sejtválogatással (FACS) izolált bRG-ben.

Tanulmányi eredmények

Természetesen az egérembrió neokortexéből hiányzik a TKTL1 expresszió. A hTKTL1 génnek az egérembriók neocortexébe történő bejutása megnövelte a bRG gyakoriságát anélkül, hogy befolyásolta volna a bazális köztes progenitorokat (bIP) és az apikális progenitor populációt, ami viszont idővel növelte a kérgi neuronok termelését, különösen a későn fejlődő felső réteg neuronjaiban. Ezzel szemben az aTKTL1, amely csak egy aminosavban különbözött, nem növelte a bRG mennyiségét.

Ezenkívül a szerzők azt találták, hogy a hTKTL1 expressziója növelte a bRG mennyiségét és a többfolyamatú bRG arányát, amely a bRG sajátossága, amely önmagát megerősítheti a görény neocortex fejlődésében. Ennek következtében a görény gyrus mérete megnőtt.

Ezenkívül a kutatók megfigyelték, hogy az aTKTL1-et expresszáló sejtorganoidok kevesebb bRG-t és neuroprogenitor sejtet tartalmaztak. Ez a megállapítás megerősítette, hogy a hTKTL1 lizin-arginin szubsztitúciója elengedhetetlen a bRG populáció fenntartásához ebben az emberi agymodellben. Hasonlóképpen, a hTKTL1 expressziója nőtt a neuroprogenitorokban a neurogenezis során az emberi magzati neokortexben. Érdekes módon ez az expresszió magasabb volt a fejlődő homloklebenyben, mint a fejlődő occipitalis lebenyben.

Egy másik érdekes megfigyelés volt, hogy a hTKTL1 két egymást követő metabolikus útvonalon, a pentóz-foszfát útvonalon (PPP) és a zsírsavszintézisen keresztül fokozta a bRG populációt. Ezért, amikor a kutatók egy sor specifikus inhibitorral elnyomták a PPP vagy zsírsav szintézis útvonalait, a hTKTL1 által kiváltott bRG populáció növekedése megszűnt az embrionális egér neokortexében. Hasonlóképpen, a bRG számok csökkentek az emberi magzati neokortikális szövetben.

Ezenkívül a szerzők azt találták, hogy a hTKTL1-stimulált bRG-kben, de nem az aTKTL1-indukálta bRG-kben, magasabb az acetil-CoA-koncentrációja, amely a zsírsavszintézis szempontjából kulcsfontosságú metabolit. Így csak a hTKTL1 segítette elő a bRG folyamatok kifejlődéséhez szükséges zsírsavat tartalmazó membránlipidek szintézisét, növelve a populációjukat.

Következtetések

A jelenlegi tanulmány megmutatta, mi különbözteti meg a neokortikális neurogenezist a modern emberben a neandervölgyiektől. Noha ezeknek az archaikus embereknek az agya (méretében) hasonló a modern emberéhez, a hTKTL1 gén egyetlen lizin-arginin szubsztitúciója bRG-bőséget eredményezett, de a bIP-ekét nem, amelyek viszont több neokortikális neuront generáltak a modern emberekben. Ezenkívül a kutatók kimutatták, hogy a hTKTL1 hatás PPP- és zsírsavszintézist igényel, és ezen útvonalak gátlása csökkentette a bRG bőséget a magzati humán neokortikális szövetben.

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

.