Rola genu transketolazopodobnego-1 w rozwoju mózgu współczesnego człowieka

Rola genu transketolazopodobnego-1 w rozwoju mózgu współczesnego człowieka

W niedawno opublikowanym badaniu w Nauka Naukowcy wykazali, jak ekspresja genu transketolazopodobnego 1 (TKTL1) wpływa na neurogenezę kory nowej u współczesnych ludzi.

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

tło

Co ciekawe, substytucja pojedynczego aminokwasu w TKTL1, z lizyny u małp i starożytnych ludzi do argininy u współczesnych ludzi, zmieniła funkcję i organizację warstw mózgu, takich jak kora nowa, szczególnie w płacie czołowym. Ewolucyjne zmiany w korze nowej mózgu i towarzyszący temu wzrost produkcji neuronów poprawiły zdolności poznawcze współczesnego człowieka. Analizy Endocast wykazały, że objętość wewnątrzczaszkowa współczesnych ludzi i neandertalczyków była podobna, co sugeruje podobną wielkość kory nowej. Jednak skamieniałości nie mogły pomóc w ocenie, czy podobny rozmiar kory nowej implikuje podobną produkcję neuronów kory nowej.

Poprzednie badanie Pinsona i in. przeanalizowali wpływ zmiany pojedynczego aminokwasu w białku TKTL1 na wytwarzanie gleju podstawnego radialnego (bRG), komórek tworzących większość kory nowej. Zaobserwowali, że u organoidów ludzki wariant TKTL1 (hTKTL1) wygenerował więcej neuroprogenitatorów niż archaiczny wariant (aTKTL1) występujący u neandertalczyków, denisowian i innych naczelnych. Może dlatego współcześni ludzie mają w mózgach więcej kory nowej niż neandertalczycy.

O studiowaniu

W niniejszym badaniu naukowcy zbadali rolę TKTL1 w rozwoju kory nowej, co z kolei wpływa na liczbę neuroprogenitorów. Ponadto ustalili, czy aTKTL1 i hTKTL1 mają podobny wpływ na neuroprogenitory podczas rozwoju kory nowej.

W badaniu wykorzystano nadekspresję genów w rozwoju kory nowej myszy i fretek. Podobnie wykorzystali technologię nokautu w ludzkiej tkance kory nowej płodu oraz technologię edycji genomu do badania organoidów mózgowych.

Wykorzystując technologię nokautu hTKTL1 za pośrednictwem skupionych, regularnie rozmieszczonych krótkich powtórzeń palindromowych (CRISPR) i białka 9 (Cas9) powiązanego z CRISPR, wykazano, że nokaut hTKTL1 w ludzkiej tkance kory nowej płodu znacząco zmniejsza liczbę brG. Następnie zespół wykorzystał organoidy mózgowe do potwierdzenia swoich wyników. Te struktury minimózgu wykonane z ludzkich embrionalnych komórek macierzystych zawierały aTKTL1 zamiast hTKTL1.

W szczególności zespół uzyskał całkowity kwas rybonukleinowy (RNA) z próbnych i zmodyfikowanych genowo ludzkich organoidów pochodzących z H9. Zastosowali ilościową reakcję PCR w czasie rzeczywistym (qPCR), aby potwierdzić, że w tych organoidach zachodzi ekspresja informacyjnego RNA (mRNA) TKTL1, a następnie przeprowadzono sekwencjonowanie produktów PCR metodą Sangera. Zmapowali próbne i zmodyfikowane genowo organoidy na ludzki gen TKTL1, aby potwierdzić ekspresję mRNA hTKTL1 w pozornie edytowanych ludzkich organoidach i mRNA archeonów TKTL1 w ludzkich organoidach poddanych edycji genów.

Przed immunofluorescencją wycinali krioskrawki koronalne o grubości 20–50 μm za pomocą kriostatu i przechowywali te próbki w temperaturze -20 ° C. Najpierw zespół poddał zawiesinę pojedynczych komórek z kory nowej embrionalnej myszy barwieniu powierzchni komórek. Następnie poddali go mikrodysekcji pod stereomikroskopem epifluorescencyjnym. W ten sposób uzyskali poddany elektroporacji obszar kory nowej. Na koniec zespół wykorzystał spektrometrię mas (MS) do określenia stężeń acetylokoenzymu A (acetylo-CoA) w bRG wyizolowanym metodą sortowania komórek aktywowanego fluorescencją (FACS).

Wyniki badań

Oczywiście w korze nowej zarodka myszy brakuje ekspresji TKTL1. Wprowadzenie genu hTKTL1 do kory nowej zarodków myszy zwiększyło częstotliwość bRG bez wpływu na populację podstawnych pośrednich progenitorów (bIP) i wierzchołkowej populacji progenitorowej, co z kolei z czasem zwiększyło produkcję neuronów korowych, szczególnie późno rozwijających się neuronów górnej warstwy. Odwrotnie, aTKTL1, który różnił się tylko jednym aminokwasem, nie zwiększał obfitości bRG.

Co więcej, autorzy odkryli, że ekspresja hTKTL1 zwiększa liczebność bRG i odsetek wieloprocesowego bRG, cechy charakterystycznej bRG, która może ulegać samowzmacnianiu, w rozwoju kory nowej fretki. W rezultacie rozmiar zakrętu fretki wzrósł.

Ponadto naukowcy zaobserwowali, że organoidy komórkowe wyrażające aTKTL1 zawierały mniej komórek bRG i komórek neuroprogenitorowych. Odkrycie to potwierdziło, że podstawienie lizyny argininą w hTKTL1 było niezbędne do utrzymania populacji bRG w tym modelu ludzkiego mózgu. Podobnie ekspresja hTKTL1 wzrosła w neuroprogenitorach podczas neurogenezy w korze nowej ludzkiego płodu. Co ciekawe, ekspresja ta była wyższa w rozwijającym się płacie czołowym niż w rozwijającym się płacie potylicznym.

Inną interesującą obserwacją było to, że hTKTL1 zwiększał populację bRG poprzez dwa kolejne szlaki metaboliczne, szlak pentozofosforanowy (PPP) i syntezę kwasów tłuszczowych. Dlatego też, gdy badacze stłumili szlaki PPP lub syntezy kwasów tłuszczowych za pomocą szeregu specyficznych inhibitorów, ustał indukowany przez hTKTL1 wzrost populacji bRG w korze nowej embrionalnej myszy. Podobnie liczba bRG została zmniejszona w ludzkiej tkance kory nowej płodu.

Co więcej, autorzy odkryli, że bRG stymulowane hTKTL1, ale nie bRG indukowane aTKTL1, miały wyższe stężenie acetylo-CoA, metabolitu kluczowego dla syntezy kwasów tłuszczowych. Zatem tylko hTKTL1 promował syntezę lipidów błonowych zawierających rodzaj kwasu tłuszczowego wymaganego do wzrostu procesów bRG, zwiększając ich populację.

Wnioski

Obecne badanie pokazało, co odróżnia neurogenezę kory nowej u współczesnych ludzi od neandertalczyków. Chociaż ci archaiczni ludzie mieli podobne mózgi (pod względem wielkości) do współczesnych ludzi, pojedyncze podstawienie lizyny do argininy w genie hTKTL1 spowodowało obfitość bRG, ale nie bIP, co z kolei wygenerowało więcej neuronów kory nowej u współczesnych ludzi. Co więcej, naukowcy wykazali, że efekt hTKTL1 wymaga syntezy PPP i kwasów tłuszczowych, a hamowanie tych szlaków zmniejsza liczebność bRG w ludzkiej tkance kory nowej płodu.

Odniesienie:

• 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

.