Rollen til transketolase-lignende-1-genet i utviklingen av den moderne menneskelige hjernen

Rollen til transketolase-lignende-1-genet i utviklingen av den moderne menneskelige hjernen

I en nylig publisert studie i Vitenskap Forskere viste hvordan transketolase-lignende 1 (TKTL1) genuttrykk påvirker neokortikal neurogenese hos moderne mennesker.

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

bakgrunn

Interessant nok endret en enkelt aminosyresubstitusjon i TKTL1, fra lysin i aper og arkaiske mennesker til arginin hos moderne mennesker, funksjonen og organiseringen av hjernelag som neocortex, spesielt i frontallappen. De evolusjonære endringene i hjernens neocortex og den samtidige økningen i nevronproduksjon forbedret de kognitive evnene til moderne mennesker. Endocast-analyser har vist at det endokranielle volumet til moderne mennesker og neandertalere var likt, noe som tyder på lignende størrelse på neocortex. Fossiler kunne imidlertid ikke bidra til å vurdere om lignende neocortex-størrelse antydet lignende neokortikal nevronproduksjon.

En tidligere studie av Pinson et al. analyserte effekten av en enkelt aminosyreendring i TKTL1-proteinet på produksjonen av basal radial glia (bRG), cellene som danner det meste av neocortex. De observerte at i organoider genererte den menneskelige varianten av TKTL1 (hTKTL1) flere neuroprogenitors enn den arkaiske varianten (aTKTL1) funnet i neandertalere, denisovaner og andre primater. Kanskje det er derfor moderne mennesker har mer neocortex i hjernen enn neandertalere.

Om å studere

I denne studien undersøkte forskere rollen til TKTL1 i utviklingen av neocortex, som igjen påvirker antallet nevroprogenitorer. I tillegg bestemte de om aTKTL1 og hTKTL1 har lignende effekter på neuroprogenitors under utvikling av neocortex.

Studien brukte genoverekspresjon i utviklingen av mus og ilder neocortex. På samme måte brukte de knockout-teknologi i føtalt humant neokortikalt vev og genomredigeringsteknologi for å studere cerebrale organoider.

Ved å bruke klyngede, regelmessige, korte palindromiske repetisjoner (CRISPR)-CRISPR-assosiert protein 9 (Cas9)-mediert hTKTL1 knockout-teknologi, viste de at hTKTL1 knockout i føtalt humant neokortikalt vev reduserte brG-tall betydelig. Deretter brukte teamet cerebrale organoider for å validere resultatene. Disse mini-hjernestrukturene laget av menneskelige embryonale stamceller hadde aTKTL1 i stedet for hTKTL1.

Spesifikt oppnådde teamet total ribonukleinsyre (RNA) fra falske og genredigerte H9-avledede menneskelige organoider. De brukte kvantitativ sanntids-PCR (qPCR) for å bekrefte at disse organoidene uttrykte TKTL1-messenger-RNA (mRNA), etterfulgt av Sanger-sekvensering av PCR-produktene. De kartla falske og genredigerte organoider til det humane TKTL1-genet for å bekrefte uttrykket av hTKTL1-mRNA i de falske redigerte menneskelige organoidene og arkealt TKTL1-mRNA i de genredigerte menneskelige organoidene.

Før immunfluorescens kuttet de koronale kryoseksjoner med en tykkelse på 20–50 μm ved hjelp av en kryostat og lagret disse prøvene ved -20 ° C. Først utsatte teamet en enkelt cellesuspensjon fra den embryonale musens neocortex for celleoverflatefarging. Deretter mikrodisserte de det under et epifluorescens stereomikroskop. På denne måten oppnådde de den elektroporerte regionen av neocortex. Til slutt brukte teamet massespektrometri (MS) for å bestemme konsentrasjonene av acetyl-koenzym A (acetyl-CoA) i bRG isolert ved fluorescensaktivert cellesortering (FACS).

Studieresultater

Selvfølgelig mangler musembryoet neocortex TKTL1-uttrykk. Introduksjon av hTKTL1-genet i neocortex av museembryoer økte frekvensen av bRG uten å påvirke de basale mellomliggende forfedre (bIPs) og apikale stamfaderpopulasjon, som igjen økte kortikale nevronproduksjon over tid, spesielt av sent utviklende øvre lag-nevroner. Motsatt økte ikke aTKTL1, som bare skilte seg med én aminosyre, bRG-overflod.

Videre fant forfatterne at hTKTL1-ekspresjon økte bRG-overflod og andelen av multiprosess-bRG, et kjennetegn på bRG som kan være selvforsterkende, i utviklingen av ilderneocortex. Følgelig økte ilderens gyrusstørrelse.

I tillegg observerte forskerne at de aTKTL1-uttrykkende celleorganoidene inneholdt færre bRG- og neuroprogenitorceller. Dette funnet bekreftet at lysin-til-arginin-substitusjonen i hTKTL1 var avgjørende for opprettholdelsen av bRG-populasjonen i denne menneskelige hjernemodellen. På samme måte økte hTKTL1-ekspresjon i nevroprogenitorer under nevrogenese i den humane føtale neocortex. Interessant nok var dette uttrykket høyere i den utviklende frontallappen enn i den utviklende occipitallappen.

En annen interessant observasjon var at hTKTL1 forbedret bRG-populasjonen gjennom to sekvensielle metabolske veier, pentosefosfatveien (PPP) og fettsyresyntese. Derfor, da forskerne undertrykte PPP- eller fettsyresynteseveiene med en serie spesifikke hemmere, opphørte den hTKTL1-induserte økningen i bRG-populasjonen i den embryonale muse-neocortexen. Tilsvarende ble bRG-tall redusert i humant føtalt neokortikalt vev.

Videre fant forfatterne at hTKTL1-stimulerte bRG-er, men ikke aTKTL1-induserte bRG-er, hadde en høyere konsentrasjon av acetyl-CoA, en metabolitt som er avgjørende for fettsyresyntese. Dermed fremmet bare hTKTL1 syntesen av membranlipider som inneholder en type fettsyre som kreves for utveksten av bRG-prosesser, og økte deres populasjon.

Konklusjoner

Den nåværende studien viste hva som skiller neokortikal neurogenese hos moderne mennesker fra neandertalere. Selv om disse arkaiske menneskene hadde lignende hjerner (i størrelse) som moderne mennesker, resulterte en enkelt lysin-til-arginin-substitusjon i hTKTL1-genet i bRG-overflod, men ikke den av bIPs, som igjen genererte flere neokortikale nevroner hos moderne mennesker. Videre viste forskerne at hTKTL1-effekten krevde PPP og fettsyresyntese, og hemming av disse banene reduserte bRG-overflod i føtalt humant neokortikalt vev.

Referanse:

• 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

.