Papel do gene transcetolase-like-1 no desenvolvimento do cérebro humano moderno

Papel do gene transcetolase-like-1 no desenvolvimento do cérebro humano moderno

Em um estudo recentemente publicado em Ciência Os pesquisadores mostraram como a expressão do gene transcetolase-like 1 (TKTL1) influencia a neurogênese neocortical em humanos modernos.

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

fundo

Curiosamente, uma única substituição de aminoácido no TKTL1, de lisina em macacos e humanos arcaicos para arginina em humanos modernos, alterou a função e a organização de camadas cerebrais como o neocórtex, particularmente no lobo frontal. As mudanças evolutivas no neocórtex cerebral e o aumento concomitante na produção de neurônios melhoraram as habilidades cognitivas dos humanos modernos. As análises do Endocast mostraram que o volume endocraniano dos humanos modernos e dos neandertais era semelhante, sugerindo tamanho semelhante do neocórtex. No entanto, os fósseis não puderam ajudar a avaliar se o tamanho semelhante do neocórtex implicava uma produção semelhante de neurônios neocorticais.

Um estudo anterior de Pinson et al. analisaram o efeito de uma alteração de um único aminoácido na proteína TKTL1 na produção da glia radial basal (bRG), as células que formam a maior parte do neocórtex. Eles observaram que em organoides, a variante humana do TKTL1 (hTKTL1) gerou mais neuroprogenitores do que a variante arcaica (aTKTL1) encontrada em neandertais, denisovanos e outros primatas. Talvez seja por isso que os humanos modernos têm mais neocórtex no cérebro do que os neandertais.

Sobre estudar

No presente estudo, os pesquisadores examinaram o papel do TKTL1 no desenvolvimento do neocórtex, que por sua vez influencia o número de neuroprogenitores. Além disso, determinaram se o aTKTL1 e o hTKTL1 têm efeitos semelhantes nos neuroprogenitores durante o desenvolvimento do neocórtex.

O estudo utilizou a superexpressão genética no desenvolvimento do neocórtex de camundongos e furões. Da mesma forma, eles usaram tecnologia knockout em tecido neocortical humano fetal e tecnologia de edição de genoma para estudar organoides cerebrais.

Usando a tecnologia de nocaute hTKTL1 mediada por repetições palindrômicas curtas regularmente interespaçadas (CRISPR) -CRISPR-associadas à proteína 9 (Cas9), eles mostraram que o nocaute de hTKTL1 no tecido neocortical humano fetal reduziu significativamente o número de brG. Em seguida, a equipe usou organoides cerebrais para validar seus resultados. Essas miniestruturas cerebrais feitas de células-tronco embrionárias humanas tinham aTKTL1 em ​​vez de hTKTL1.

Especificamente, a equipe obteve ácido ribonucleico total (RNA) de organoides humanos derivados de H9 simulados e editados por gene. Eles usaram PCR quantitativo em tempo real (qPCR) para confirmar que esses organoides expressavam RNA mensageiro (mRNA) de TKTL1, seguido pelo sequenciamento Sanger dos produtos de PCR. Eles mapearam organoides simulados e editados por gene para o gene TKTL1 humano para confirmar a expressão de mRNA de hTKTL1 nos organoides humanos editados de forma simulada e mRNA de TKTL1 arqueal nos organoides humanos editados por gene.

Antes da imunofluorescência, eles cortaram criosecções coronais com espessura de 20–50 μm usando um criostato e armazenaram essas amostras a -20 °C. Primeiro, a equipe submeteu uma suspensão de células únicas do neocórtex embrionário do camundongo à coloração da superfície celular. Em seguida, eles microdissecaram-no sob um estereomicroscópio de epifluorescência. Dessa forma, obtiveram a região eletroporada do neocórtex. Finalmente, a equipe usou espectrometria de massa (MS) para determinar as concentrações de acetil-coenzima A (acetil-CoA) no bRG isolado por classificação de células ativadas por fluorescência (FACS).

Resultados do estudo

É claro que o neocórtex do embrião de camundongo não possui expressão de TKTL1. A introdução do gene hTKTL1 no neocórtex de embriões de camundongos aumentou a frequência de bRG sem afetar os progenitores intermediários basais (bIPs) e a população progenitora apical, que por sua vez aumentou a produção de neurônios corticais ao longo do tempo, particularmente de neurônios da camada superior em desenvolvimento tardio. Por outro lado, o aTKTL1, que diferiu em apenas um aminoácido, não aumentou a abundância de bRG.

Além disso, os autores descobriram que a expressão de hTKTL1 aumentou a abundância de bRG e a proporção de bRG multiprocessado, uma marca registrada do bRG que pode ser auto-reforçada, no desenvolvimento do neocórtex de furão. Consequentemente, o tamanho do giro do furão aumentou.

Além disso, os pesquisadores observaram que os organoides celulares que expressam aTKTL1 continham menos células bRG e neuroprogenitoras. Esta descoberta confirmou que a substituição de lisina por arginina em hTKTL1 foi essencial para a manutenção da população bRG neste modelo de cérebro humano. Da mesma forma, a expressão de hTKTL1 aumentou em neuroprogenitores durante a neurogênese no neocórtex fetal humano. Curiosamente, esta expressão foi maior no lobo frontal em desenvolvimento do que no lobo occipital em desenvolvimento.

Outra observação interessante foi que o hTKTL1 melhorou a população bRG através de duas vias metabólicas sequenciais, a via das pentoses fosfato (PPP) e a síntese de ácidos graxos. Portanto, quando os pesquisadores suprimiram as vias de síntese de PPP ou ácidos graxos com uma série de inibidores específicos, o aumento induzido por hTKTL1 na população bRG no neocórtex embrionário de camundongos cessou. Da mesma forma, os números de bRG foram reduzidos no tecido neocortical fetal humano.

Além disso, os autores descobriram que os bRGs estimulados por hTKTL1, mas não os bRGs induzidos por aTKTL1, tinham uma concentração mais elevada de acetil-CoA, um metabólito crucial para a síntese de ácidos graxos. Assim, apenas o hTKTL1 promoveu a síntese de lipídios de membrana contendo um tipo de ácido graxo necessário para o crescimento dos processos bRG, aumentando sua população.

Conclusões

O presente estudo mostrou o que diferencia a neurogênese neocortical em humanos modernos dos neandertais. Embora esses humanos arcaicos tivessem cérebros semelhantes (em tamanho) aos humanos modernos, uma única substituição de lisina por arginina no gene hTKTL1 resultou na abundância de bRG, mas não na de bIPs, que por sua vez gerou mais neurônios neocorticais em humanos modernos. Além disso, os pesquisadores mostraram que o efeito hTKTL1 exigia a síntese de PPP e ácidos graxos, e a inibição dessas vias reduziu a abundância de bRG no tecido neocortical humano fetal.

Referência:

• 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

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