Ruolo del gene transketolase-like-1 nello sviluppo del cervello umano moderno

Ruolo del gene transketolase-like-1 nello sviluppo del cervello umano moderno

In uno studio recentemente pubblicato su Scienza I ricercatori hanno dimostrato come l'espressione genetica transketolasi-simile 1 (TKTL1) influenzi la neurogenesi neocorticale negli esseri umani moderni.

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

sfondo

È interessante notare che una singola sostituzione di aminoacidi in TKTL1, dalla lisina nelle scimmie e negli esseri umani arcaici all’arginina negli esseri umani moderni, ha alterato la funzione e l’organizzazione degli strati cerebrali come la neocorteccia, in particolare nel lobo frontale. I cambiamenti evolutivi nella neocorteccia del cervello e il concomitante aumento della produzione di neuroni hanno migliorato le capacità cognitive degli esseri umani moderni. Le analisi dell'endocast hanno dimostrato che il volume endocranico degli esseri umani moderni e dei Neanderthal era simile, suggerendo dimensioni simili della neocorteccia. Tuttavia, i fossili non hanno potuto aiutare a valutare se dimensioni simili della neocorteccia implicassero una produzione simile di neuroni neocorticali.

Un precedente studio di Pinson et al. hanno analizzato l'effetto di un singolo cambiamento di aminoacidi nella proteina TKTL1 sulla produzione della glia radiale basale (bRG), le cellule che formano la maggior parte della neocorteccia. Hanno osservato che negli organoidi, la variante umana di TKTL1 (hTKTL1) ha generato più neuroprogenitori rispetto alla variante arcaica (aTKTL1) trovata nei Neanderthal, nei Denisoviani e in altri primati. Forse è per questo che gli esseri umani moderni hanno più neocorteccia nel cervello rispetto ai Neanderthal.

A proposito di studiare

Nel presente studio, i ricercatori hanno esaminato il ruolo di TKTL1 nello sviluppo della neocorteccia, che a sua volta influenza il numero di neuroprogenitori. Inoltre, hanno determinato se aTKTL1 e hTKTL1 hanno effetti simili sui neuroprogenitori durante lo sviluppo della neocorteccia.

Lo studio ha utilizzato la sovraespressione genetica nello sviluppo della neocorteccia di topi e furetti. Allo stesso modo, hanno utilizzato la tecnologia knockout nel tessuto neocorticale umano fetale e la tecnologia di modifica del genoma per studiare gli organoidi cerebrali.

Utilizzando la tecnologia di knockout hTKTL1 mediata da brevi ripetizioni palindromiche raggruppate regolarmente interspaziate (CRISPR) -CRISPR-associated protein 9 (Cas9), hanno dimostrato che il knockout di hTKTL1 nel tessuto neocorticale umano fetale riduceva significativamente i numeri di brG. Successivamente, il team ha utilizzato organoidi cerebrali per convalidare i propri risultati. Queste strutture mini-cervello costituite da cellule staminali embrionali umane avevano aTKTL1 invece di hTKTL1.

Nello specifico, il team ha ottenuto l'acido ribonucleico totale (RNA) da organoidi umani derivati ​​​​da H9 simulati e geneticamente modificati. Hanno utilizzato la PCR quantitativa in tempo reale (qPCR) per confermare che questi organoidi esprimevano l'RNA messaggero (mRNA) di TKTL1, seguito dal sequenziamento di Sanger dei prodotti della PCR. Hanno mappato organoidi simulati e modificati geneticamente sul gene TKTL1 umano per confermare l'espressione dell'mRNA hTKTL1 negli organoidi umani modificati simulatamente e dell'mRNA TKTL1 archaeale negli organoidi umani modificati geneticamente.

Prima dell’immunofluorescenza, hanno tagliato criosezioni coronali con uno spessore di 20–50 μm utilizzando un criostato e hanno conservato questi campioni a -20 °C. Innanzitutto, il team ha sottoposto una sospensione di singole cellule della neocorteccia embrionale del topo alla colorazione della superficie cellulare. Successivamente, lo hanno microdissezionato sotto uno stereomicroscopio a epifluorescenza. In questo modo, hanno ottenuto la regione elettroporata della neocorteccia. Infine, il team ha utilizzato la spettrometria di massa (MS) per determinare le concentrazioni di acetil-coenzima A (acetil-CoA) nel bRG isolato mediante selezione cellulare attivata dalla fluorescenza (FACS).

Risultati dello studio

Naturalmente, la neocorteccia dell'embrione di topo manca dell'espressione di TKTL1. L'introduzione del gene hTKTL1 nella neocorteccia degli embrioni di topo ha aumentato la frequenza di bRG senza influenzare i progenitori basali intermedi (bIP) e la popolazione di progenitori apicali, che a loro volta hanno aumentato la produzione di neuroni corticali nel tempo, in particolare dei neuroni dello strato superiore a sviluppo tardivo. Al contrario, aTKTL1, che differiva solo per un amminoacido, non aumentava l’abbondanza di bRG.

Inoltre, gli autori hanno scoperto che l'espressione di hTKTL1 aumenta l'abbondanza di bRG e la proporzione di bRG multiprocesso, un segno distintivo di bRG che può auto-rinforzarsi, nello sviluppo della neocorteccia del furetto. Di conseguenza, la dimensione del giro del furetto è aumentata.

Inoltre, i ricercatori hanno osservato che gli organoidi cellulari che esprimono aTKTL1 contenevano meno cellule bRG e neuroprogenitrici. Questa scoperta ha confermato che la sostituzione della lisina con l'arginina in hTKTL1 era essenziale per il mantenimento della popolazione bRG in questo modello di cervello umano. Allo stesso modo, l’espressione di hTKTL1 è aumentata nei neuroprogenitori durante la neurogenesi nella neocorteccia fetale umana. È interessante notare che questa espressione era più elevata nel lobo frontale in via di sviluppo rispetto al lobo occipitale in via di sviluppo.

Un'altra osservazione interessante è stata che hTKTL1 ha potenziato la popolazione bRG attraverso due vie metaboliche sequenziali, la via del pentoso fosfato (PPP) e la sintesi degli acidi grassi. Pertanto, quando i ricercatori hanno soppresso le vie di sintesi del PPP o degli acidi grassi con una serie di inibitori specifici, l’aumento indotto da hTKTL1 nella popolazione bRG nella neocorteccia embrionale del topo è cessato. Allo stesso modo, i numeri di bRG erano ridotti nel tessuto neocorticale fetale umano.

Inoltre, gli autori hanno scoperto che i bRG stimolati da hTKTL1, ma non i bRG indotti da aTKTL1, avevano una concentrazione più elevata di acetil-CoA, un metabolita cruciale per la sintesi degli acidi grassi. Pertanto, solo hTKTL1 ha promosso la sintesi di lipidi di membrana contenenti un tipo di acido grasso necessario per la crescita dei processi bRG, aumentandone la popolazione.

Conclusioni

Lo studio attuale ha mostrato cosa differenzia la neurogenesi neocorticale negli esseri umani moderni da quella dei Neanderthal. Sebbene questi esseri umani arcaici avessero cervelli simili (in termini di dimensioni) agli esseri umani moderni, una singola sostituzione di lisina in arginina nel gene hTKTL1 ha prodotto un'abbondanza di bRG ma non quella di bIP, che a sua volta ha generato più neuroni neocorticali negli esseri umani moderni. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che l'effetto hTKTL1 richiedeva la sintesi di PPP e acidi grassi, e l'inibizione di questi percorsi riduceva l'abbondanza di bRG nel tessuto neocorticale umano fetale.

Riferimento:

• 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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