Transketolāzei līdzīgā-1 gēna loma mūsdienu cilvēka smadzeņu attīstībā

Transketolāzei līdzīgā-1 gēna loma mūsdienu cilvēka smadzeņu attīstībā

Nesen publicētā pētījumā Zinātne Pētnieki parādīja, kā transketolāzei līdzīgā 1 (TKTL1) gēna ekspresija ietekmē neokortikālo neiroģenēzi mūsdienu cilvēkiem.

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

fons

Interesanti, ka viena aminoskābes aizstāšana TKTL1, no lizīna pērtiķiem un arhaiskiem cilvēkiem līdz arginīnam mūsdienu cilvēkiem, mainīja smadzeņu slāņu, piemēram, neokorteksa, funkciju un organizāciju, īpaši frontālajā daivā. Evolūcijas izmaiņas smadzeņu neokorteksā un ar to saistītais neironu ražošanas pieaugums uzlaboja mūsdienu cilvēku kognitīvās spējas. Endokast analīzes ir parādījuši, ka mūsdienu cilvēku un neandertāliešu endokrāniālais apjoms bija līdzīgs, kas liecina par līdzīgu neokorteksa izmēru. Tomēr fosilijas nevarēja palīdzēt novērtēt, vai līdzīgs neokorteksa izmērs nozīmēja līdzīgu neokortikālo neironu veidošanos.

Iepriekšējais Pinson et al pētījums. analizēja vienas aminoskābes izmaiņu ietekmi TKTL1 proteīnā uz bazālās radiālās glia (bRG) veidošanos, šūnām, kas veido lielāko daļu neokorteksa. Viņi novēroja, ka organoīdos cilvēka TKTL1 variants (hTKTL1) radīja vairāk neiroprogenitoru nekā arhaiskais variants (aTKTL1), kas atrodams neandertāliešiem, denisovaniem un citiem primātiem. Varbūt tāpēc mūsdienu cilvēku smadzenēs ir vairāk neokorteksa nekā neandertāliešu.

Par mācībām

Šajā pētījumā pētnieki pētīja TKTL1 lomu neokorteksa attīstībā, kas savukārt ietekmē neiroprogenitoru skaitu. Turklāt viņi noteica, vai aTKTL1 un hTKTL1 ir līdzīga ietekme uz neiroprogenitoriem neokorteksa attīstības laikā.

Pētījumā tika izmantota gēnu pārmērīga ekspresija, veidojot peļu un sesku neokorteksu. Tāpat viņi izmantoja knockout tehnoloģiju augļa cilvēka neokortikālajos audos un genoma rediģēšanas tehnoloģiju, lai pētītu smadzeņu organoīdus.

Izmantojot klasterētus, regulāri izvietotus īsus palindromiskus atkārtojumus (CRISPR) - ar CRISPR saistītu proteīna 9 (Cas9) mediētu hTKTL1 izslēgšanas tehnoloģiju, viņi parādīja, ka hTKTL1 nokauts cilvēka augļa neokortikālajos audos ievērojami samazināja brG skaitu. Pēc tam komanda izmantoja smadzeņu organoīdus, lai apstiprinātu savus rezultātus. Šīm mini smadzeņu struktūrām, kas izgatavotas no cilvēka embriju cilmes šūnām, hTKTL1 vietā bija aTKTL1.

Konkrēti, komanda ieguva kopējo ribonukleīnskābi (RNS) no viltotiem un gēnu rediģētiem H9 atvasinātiem cilvēka organoīdiem. Viņi izmantoja kvantitatīvu reāllaika PCR (qPCR), lai apstiprinātu, ka šie organoīdi ekspresēja TKTL1 messenger RNS (mRNS), kam sekoja PCR produktu Sangera sekvencēšana. Viņi kartēja izspēles un gēnu rediģētos organoīdus ar cilvēka TKTL1 gēnu, lai apstiprinātu hTKTL1 mRNS ekspresiju izspēles rediģētajos cilvēka organoīdos un arheālās TKTL1 mRNS gēnu rediģētajos cilvēka organoīdos.

Pirms imunofluorescences viņi, izmantojot kriostatu, izgrieza koronālās kriosekcijas ar biezumu 20–50 μm un uzglabāja šos paraugus -20 ° C temperatūrā. Pirmkārt, komanda pakļāva vienas šūnas suspensiju no embrionālās peles neokorteksa, lai krāsotu šūnu virsmu. Pēc tam viņi to mikrodissektēja ar epifluorescences stereomikroskopu. Tādā veidā viņi ieguva neokorteksa elektroporēto reģionu. Visbeidzot, komanda izmantoja masas spektrometriju (MS), lai noteiktu acetilkoenzīma A (acetil-CoA) koncentrāciju bRG, kas izolēts ar fluorescences aktivētu šūnu šķirošanu (FACS).

Studiju rezultāti

Protams, peles embrija neokorteksam trūkst TKTL1 ekspresijas. hTKTL1 gēna ievadīšana peļu embriju neokorteksā palielināja bRG biežumu, neietekmējot bazālo starpproduktu priekšteču (bIP) un apikālo priekšteču populāciju, kas savukārt laika gaitā palielināja kortikālo neironu veidošanos, īpaši novēloti attīstošajos augšējā slāņa neironos. Un otrādi, aTKTL1, kas atšķīrās tikai ar vienu aminoskābi, nepalielināja bRG pārpilnību.

Turklāt autori atklāja, ka hTKTL1 ekspresija sesku neokorteksa attīstībā palielināja bRG pārpilnību un daudzprocesu bRG, kas ir bRG pazīme, kas var sevi pastiprināt, īpatsvaru. Līdz ar to seska žirusa izmērs palielinājās.

Turklāt pētnieki novēroja, ka aTKTL1 ekspresējošajos šūnu organoīdos bija mazāk bRG un neiroprogenitoru šūnu. Šis atklājums apstiprināja, ka lizīna-arginīna aizstāšana hTKTL1 bija būtiska bRG populācijas uzturēšanai šajā cilvēka smadzeņu modelī. Tāpat hTKTL1 ekspresija palielinājās neiroprogenitoros neiroģenēzes laikā cilvēka augļa neokorteksā. Interesanti, ka šī izteiksme bija augstāka jaunattīstības frontālajā daivā nekā jaunattīstības pakauša daivā.

Vēl viens interesants novērojums bija tāds, ka hTKTL1 uzlaboja bRG populāciju, izmantojot divus secīgus metabolisma ceļus, pentozes fosfāta ceļu (PPP) un taukskābju sintēzi. Tāpēc, kad pētnieki nomāca PPP vai taukskābju sintēzes ceļus ar virkni specifisku inhibitoru, hTKTL1 izraisītais bRG populācijas pieaugums embrija peles neokorteksā apstājās. Līdzīgi bRG skaits tika samazināts cilvēka augļa neokortikālajos audos.

Turklāt autori atklāja, ka hTKTL1 stimulētajiem bRG, bet ne aTKTL1 inducētajiem bRG, bija augstāka acetil-CoA koncentrācija, kas ir metabolīts, kas ir būtisks taukskābju sintēzei. Tādējādi tikai hTKTL1 veicināja membrānas lipīdu sintēzi, kas satur taukskābju veidu, kas nepieciešams bRG procesu attīstībai, palielinot to populāciju.

Secinājumi

Pašreizējais pētījums parādīja, kas mūsdienu cilvēkiem atšķir neokortikālo neiroģenēzi no neandertāliešiem. Lai gan šiem arhaiskajiem cilvēkiem bija līdzīgas smadzenes (izmērā) kā mūsdienu cilvēkiem, viena lizīna-arginīna aizstāšana hTKTL1 gēnā izraisīja bRG pārpilnību, bet ne bIP, kas savukārt radīja vairāk neokortikālo neironu mūsdienu cilvēkiem. Turklāt pētnieki parādīja, ka hTKTL1 efektam bija nepieciešama PPP un taukskābju sintēze, un šo ceļu kavēšana samazināja bRG pārpilnību cilvēka augļa neokortikālajos audos.

Atsauce:

• 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

.