Rol van het transketolase-achtige-1-gen in de ontwikkeling van het moderne menselijke brein

Rol van het transketolase-achtige-1-gen in de ontwikkeling van het moderne menselijke brein

Uit een onlangs gepubliceerd onderzoek in Wetenschap Onderzoekers lieten zien hoe transketolase-achtige 1 (TKTL1) genexpressie de neocorticale neurogenese bij moderne mensen beïnvloedt.

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

achtergrond

Interessant genoeg veranderde een enkele aminozuursubstitutie in TKTL1, van lysine bij apen en archaïsche mensen naar arginine bij moderne mensen, de functie en organisatie van hersenlagen zoals de neocortex, vooral in de frontale kwab. De evolutionaire veranderingen in de neocortex van de hersenen en de daarmee gepaard gaande toename van de productie van neuronen verbeterden de cognitieve vermogens van moderne mensen. Endocast-analyses hebben aangetoond dat het endocraniale volume van moderne mensen en Neanderthalers vergelijkbaar was, wat duidt op een vergelijkbare grootte van de neocortex. Fossielen konden echter niet helpen beoordelen of een vergelijkbare neocortexgrootte een vergelijkbare productie van neocorticale neuronen impliceerde.

Uit een eerder onderzoek van Pinson et al. analyseerde het effect van een enkele aminozuurverandering in het TKTL1-eiwit op de productie van basale radiale glia (bRG), de cellen die het grootste deel van de neocortex vormen. Ze merkten op dat in organoïden de menselijke variant van TKTL1 (hTKTL1) meer neurovoorlopercellen genereerde dan de archaïsche variant (aTKTL1) die werd aangetroffen bij Neanderthalers, Denisovans en andere primaten. Misschien is dat de reden waarom moderne mensen meer neocortex in hun hersenen hebben dan Neanderthalers.

Over studeren

In de huidige studie onderzochten onderzoekers de rol van TKTL1 in de ontwikkeling van de neocortex, die op zijn beurt het aantal neurovoorlopercellen beïnvloedt. Bovendien bepaalden ze of aTKTL1 en hTKTL1 vergelijkbare effecten hebben op neurovoorlopercellen tijdens de ontwikkeling van neocortex.

De studie maakte gebruik van overexpressie van genen bij de ontwikkeling van de neocortex van muizen en fretten. Op dezelfde manier gebruikten ze knock-outtechnologie in foetaal menselijk neocorticaal weefsel en genoombewerkingstechnologie om hersenorganoïden te bestuderen.

Met behulp van geclusterde korte palindroomherhalingen (CRISPR) - CRISPR-geassocieerd eiwit 9 (Cas9) -gemedieerde hTKTL1-knock-outtechnologie met regelmatige tussenruimtes, toonden ze aan dat hTKTL1-knock-out in foetaal menselijk neocorticaal weefsel de brG-aantallen aanzienlijk verminderde. Vervolgens gebruikte het team hersenorganoïden om hun resultaten te valideren. Deze mini-hersenstructuren gemaakt van menselijke embryonale stamcellen hadden aTKTL1 in plaats van hTKTL1.

Concreet verkreeg het team totaal ribonucleïnezuur (RNA) uit nep- en gen-bewerkte H9-afgeleide menselijke organoïden. Ze gebruikten kwantitatieve real-time PCR (qPCR) om te bevestigen dat deze organoïden TKTL1 messenger RNA (mRNA) tot expressie brachten, gevolgd door Sanger-sequencing van de PCR-producten. Ze brachten nep- en gen-bewerkte organoïden in kaart met het menselijke TKTL1-gen om de expressie van hTKTL1-mRNA in de nep-bewerkte menselijke organoïden en archaea TKTL1-mRNA in de gen-bewerkte menselijke organoïden te bevestigen.

Vóór immunofluorescentie sneden ze coronale cryosecties met een dikte van 20-50 μm met behulp van een cryostaat en bewaarden deze monsters bij -20 ° C. Eerst onderwierp het team een ​​enkele celsuspensie van de neocortex van de embryonale muis aan kleuring van het celoppervlak. Vervolgens microdissecteerden ze het onder een epifluorescentie-stereomicroscoop. Op deze manier verkregen ze het geëlektroporeerde gebied van de neocortex. Ten slotte gebruikte het team massaspectrometrie (MS) om de concentraties van acetyl-co-enzym A (acetyl-CoA) in de bRG te bepalen, geïsoleerd door fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS).

Studieresultaten

Natuurlijk mist de neocortex van het muizenembryo TKTL1-expressie. Introductie van het hTKTL1-gen in de neocortex van muizenembryo's verhoogde de frequentie van bRG zonder de basale intermediaire voorlopercellen (bIP's) en de apicale voorlopercellenpopulatie te beïnvloeden, wat op zijn beurt de productie van corticale neuronen in de loop van de tijd verhoogde, vooral van laat ontwikkelende neuronen in de bovenste laag. Omgekeerd verhoogde aTKTL1, dat slechts met één aminozuur verschilde, de bRG-abundantie niet.

Bovendien ontdekten de auteurs dat de expressie van hTKTL1 de bRG-abundantie en het aandeel multiprocess-bRG verhoogde, een kenmerk van bRG dat zichzelf kan versterken, bij de ontwikkeling van de neocortex van fretten. Als gevolg hiervan nam de omvang van de gyrus van de fret toe.

Bovendien merkten de onderzoekers op dat de celorganoïden die aTKTL1 tot expressie brengen minder bRG- en neuroprogenitorcellen bevatten. Deze bevinding bevestigde dat de lysine-naar-arginine-substitutie in hTKTL1 essentieel was voor het in stand houden van de bRG-populatie in dit menselijke hersenmodel. Op dezelfde manier nam de expressie van hTKTL1 toe in neurovoorlopercellen tijdens neurogenese in de menselijke foetale neocortex. Interessant genoeg was deze expressie hoger in de zich ontwikkelende frontale kwab dan in de zich ontwikkelende occipitale kwab.

Een andere interessante observatie was dat hTKTL1 de bRG-populatie versterkte via twee opeenvolgende metabolische routes, de pentosefosfaatroute (PPP) en vetzuursynthese. Toen de onderzoekers de PPP- of vetzuursyntheseroutes onderdrukten met een reeks specifieke remmers, stopte de door hTKTL1 geïnduceerde toename van de bRG-populatie in de neocortex van de embryonale muis. Op vergelijkbare wijze waren de bRG-aantallen verlaagd in menselijk foetaal neocorticaal weefsel.

Bovendien ontdekten de auteurs dat door hTKTL1 gestimuleerde bRG's, maar niet door aTKTL1 geïnduceerde bRG's, een hogere concentratie acetyl-CoA hadden, een metaboliet die cruciaal is voor de vetzuursynthese. Alleen hTKTL1 bevorderde dus de synthese van membraanlipiden die een type vetzuur bevatten dat nodig is voor de uitgroei van bRG-processen, waardoor hun populatie toenam.

Conclusies

De huidige studie liet zien wat de neocorticale neurogenese bij moderne mensen onderscheidt van Neanderthalers. Hoewel deze archaïsche mensen qua omvang vergelijkbare hersenen hadden als moderne mensen, resulteerde een enkele lysine-naar-arginine-substitutie in het hTKTL1-gen in bRG-abundantie, maar niet in die van bIP's, die op hun beurt meer neocorticale neuronen genereerden bij moderne mensen. Bovendien toonden de onderzoekers aan dat het hTKTL1-effect PPP- en vetzuursynthese vereiste, en remming van deze routes verminderde de overvloed aan bRG in foetaal menselijk neocorticaal weefsel.

Referentie:

• 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

.