Transketolazės tipo-1 geno vaidmuo šiuolaikinio žmogaus smegenų vystymuisi

Transketolazės tipo-1 geno vaidmuo šiuolaikinio žmogaus smegenų vystymuisi

Neseniai paskelbtame tyrime Mokslas Tyrėjai parodė, kaip transketolazės tipo 1 (TKTL1) geno ekspresija veikia šiuolaikinių žmonių neokortikinę neurogenezę.

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

fone

Įdomu tai, kad vienas aminorūgšties pakeitimas TKTL1, nuo lizino beždžionėms ir archajiškiems žmonėms iki arginino šiuolaikiniams žmonėms, pakeitė smegenų sluoksnių, tokių kaip neokorteksas, funkciją ir organizaciją, ypač priekinėje skiltyje. Evoliuciniai smegenų neokortekso pokyčiai ir kartu didėjanti neuronų gamyba pagerino šiuolaikinių žmonių pažintinius gebėjimus. Endocast analizė parodė, kad šiuolaikinių žmonių ir neandertaliečių endokranijinis tūris buvo panašus, o tai rodo panašų neokortekso dydį. Tačiau fosilijos negalėjo padėti įvertinti, ar panašus neokortekso dydis reiškė panašią neokortikinio neurono gamybą.

Ankstesnis Pinson ir kt. tyrimas. išanalizavo vienos aminorūgšties pokyčio TKTL1 baltyme poveikį bazinės radialinės glia (bRG) gamybai, ląstelėms, kurios sudaro didžiąją dalį neokortekso. Jie pastebėjo, kad organoiduose žmogaus TKTL1 variantas (hTKTL1) sukūrė daugiau neuroprogenitorių nei archajiškas variantas (aTKTL1), rastas neandertaliečių, denisovanų ir kitų primatų. Galbūt todėl šiuolaikinių žmonių smegenyse yra daugiau neokortekso nei neandertaliečių.

Apie studijas

Šiame tyrime mokslininkai ištyrė TKTL1 vaidmenį neokortekso vystymuisi, o tai savo ruožtu daro įtaką neuroprogenitorių skaičiui. Be to, jie nustatė, ar aTKTL1 ir hTKTL1 turi panašų poveikį neuroprogenitoriams neokortekso vystymosi metu.

Tyrime buvo panaudota pernelyg didelė genų ekspresija kuriant pelių ir šeškų neokorteksą. Taip pat jie naudojo išmušimo technologiją vaisiaus neokortikiniame audinyje ir genomo redagavimo technologiją smegenų organoidams tirti.

Naudodami sugrupuotus reguliariai tarpais esančius trumpus palindrominius pasikartojimus (CRISPR) – su CRISPR susijusiu baltymu 9 (Cas9) sukeltą hTKTL1 išmušimo technologiją, jie parodė, kad hTKTL1 išmušimas vaisiaus žmogaus neokortikiniame audinyje žymiai sumažino brG skaičių. Tada komanda naudojo smegenų organoidus, kad patvirtintų savo rezultatus. Šios mini smegenų struktūros, pagamintos iš žmogaus embrioninių kamieninių ląstelių, turėjo aTKTL1, o ne hTKTL1.

Konkrečiai, komanda gavo bendrą ribonukleino rūgštį (RNR) iš netikrų ir genų redaguotų H9 gautų žmogaus organoidų. Jie naudojo kiekybinę realaus laiko PGR (qPCR), kad patvirtintų, jog šie organoidai išreiškė TKTL1 pasiuntinio RNR (mRNR), o po to sekė PGR produktų Sanger seka. Jie priskyrė fiktyvius ir genais redaguotus organoidus žmogaus TKTL1 genui, kad patvirtintų hTKTL1 mRNR ekspresiją imituotuose žmogaus organoiduose ir archeologinės TKTL1 mRNR genų redaguotuose žmogaus organoiduose.

Prieš imunofluorescenciją, kriostatu jie supjaustė 20–50 μm storio vainikines kriosekcijas ir laikė šiuos mėginius –20 °C temperatūroje. Pirma, komanda atliko vienos ląstelės suspensiją iš embrioninės pelės neokortekso ląstelių paviršiaus dažymui. Tada jie mikrodissektavo epifluorescenciniu stereomikroskopu. Tokiu būdu jie gavo elektroporuotą neokortekso sritį. Galiausiai, komanda naudojo masės spektrometriją (MS), kad nustatytų acetilkofermento A (acetil-CoA) koncentraciją bRG, išskirtoje fluorescenciniu būdu aktyvintu ląstelių rūšiavimu (FACS).

Studijų rezultatai

Žinoma, pelės embriono neokorteksui trūksta TKTL1 ekspresijos. hTKTL1 geno įvedimas į pelių embrionų neokorteksą padidino bRG dažnį, nepaveikdamas bazinių tarpinių progenitorių (bIP) ir viršūninių progenitorių populiacijos, o tai savo ruožtu laikui bėgant padidino žievės neuronų gamybą, ypač vėlai besivystančių viršutinio sluoksnio neuronų. Ir atvirkščiai, aTKTL1, kuris skyrėsi tik viena aminorūgštimi, nepadidino bRG gausos.

Be to, autoriai nustatė, kad hTKTL1 ekspresija padidino bRG gausą ir daugiaprocesio bRG, būdingo bRG požymį, galintį sustiprinti save, dalį kuriant šeško neokorteksą. Dėl to padidėjo šeško giros dydis.

Be to, mokslininkai pastebėjo, kad aTKTL1 ekspresuojančiuose ląstelių organoiduose buvo mažiau bRG ir neuroprogenitorinių ląstelių. Šis atradimas patvirtino, kad hTKTL1 pakeitimas iš lizino į argininą buvo būtinas norint išlaikyti bRG populiaciją šiame žmogaus smegenų modelyje. Taip pat hTKTL1 ekspresija padidėjo neuroprogenitoriuose neurogenezės metu žmogaus vaisiaus neokortekse. Įdomu tai, kad ši išraiška buvo didesnė besivystančioje priekinėje skiltyje nei besivystančioje pakaušio skiltyje.

Kitas įdomus pastebėjimas buvo tas, kad hTKTL1 padidino bRG populiaciją dviem nuosekliais metabolizmo keliais – pentozės fosfato keliu (PPP) ir riebalų rūgščių sinteze. Todėl, kai mokslininkai slopino PPP arba riebalų rūgščių sintezės kelius su specifinių inhibitorių serija, hTKTL1 sukeltas bRG populiacijos padidėjimas embrioninėje pelės neokortekse nutrūko. Panašiai bRG skaičius sumažėjo žmogaus vaisiaus neokortikiniame audinyje.

Be to, autoriai nustatė, kad hTKTL1 stimuliuojami bRG, bet ne aTKTL1 sukelti bRG, turėjo didesnę acetil-CoA, metabolito, būtino riebalų rūgščių sintezei, koncentraciją. Taigi tik hTKTL1 skatino membraninių lipidų, turinčių tam tikros rūšies riebalų rūgščių, reikalingų bRG procesų augimui, sintezę, padidindamas jų populiaciją.

Išvados

Dabartinis tyrimas parodė, kuo šiuolaikinių žmonių neokortikinė neurogenezė skiriasi nuo neandertaliečių. Nors šių archajiškų žmonių smegenys (dydžiu) buvo panašios į šiuolaikinių žmonių, vienas hTKTL1 geno pakeitimas iš lizino į argininą lėmė bRG gausą, bet ne bIP, o tai savo ruožtu sukūrė daugiau neokortikinių neuronų šiuolaikiniams žmonėms. Be to, mokslininkai parodė, kad dėl hTKTL1 poveikio reikėjo PPP ir riebalų rūgščių sintezės, o šių kelių slopinimas sumažino bRG gausą vaisiaus žmogaus neokortikiniame audinyje.

Nuoroda:

• 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

.