Rolul genei transketolaze-like-1 în dezvoltarea creierului uman modern

Rolul genei transketolaze-like-1 în dezvoltarea creierului uman modern

Într-un studiu publicat recent în Ştiinţă Cercetătorii au arătat cum expresia genei transketolaze-like 1 (TKTL1) influențează neurogeneza neocorticală la oamenii moderni.

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

fundal

Interesant este că o singură substituție de aminoacid în TKTL1, de la lizină la maimuțe și oamenii arhaici la arginină la oamenii moderni, a modificat funcția și organizarea straturilor cerebrale, cum ar fi neocortexul, în special în lobul frontal. Schimbările evolutive în neocortexul creierului și creșterea concomitentă a producției de neuroni au îmbunătățit abilitățile cognitive ale oamenilor moderni. Analizele endocast au arătat că volumul endocranian al oamenilor moderni și al celor de Neanderthal a fost similar, sugerând o dimensiune similară a neocortexului. Cu toate acestea, fosilele nu au putut ajuta să evalueze dacă o dimensiune similară a neocortexului implica o producție similară de neuroni neocorticali.

Un studiu anterior al lui Pinson et al. a analizat efectul unei singure modificări de aminoacid în proteina TKTL1 asupra producției de glia bazală radială (bRG), celulele care formează cea mai mare parte a neocortexului. Ei au observat că în organoizi, varianta umană a lui TKTL1 (hTKTL1) a generat mai mulți neuroprogenitori decât varianta arhaică (aTKTL1) găsită la neandertalieni, denisoveni și alte primate. Poate de aceea oamenii moderni au mai mult neocortex în creier decât oamenii de Neanderthal.

Despre studiu

În studiul de față, cercetătorii au examinat rolul TKTL1 în dezvoltarea neocortexului, care, la rândul său, influențează numărul de neuroprogenitori. În plus, au determinat dacă aTKTL1 și hTKTL1 au efecte similare asupra neuroprogenitorilor în timpul dezvoltării neocortexului.

Studiul a folosit supraexpresia genelor în dezvoltarea neocortexului de șoarece și dihor. De asemenea, au folosit tehnologia knockout în țesutul neocortical uman fetal și tehnologia de editare a genomului pentru a studia organoizii cerebrali.

Folosind tehnologia knockout hTKTL1 mediată de proteina 9 (Cas9) asociată cu CRISPR (CRISPR) interspațiate în mod regulat, ei au arătat că knockoutul hTKTL1 în țesutul neocortical uman fetal a redus semnificativ numărul brG. Apoi, echipa a folosit organoizi cerebrali pentru a-și valida rezultatele. Aceste structuri mini-creier făcute din celule stem embrionare umane au avut aTKTL1 în loc de hTKTL1.

Mai exact, echipa a obținut acid ribonucleic total (ARN) din organoizi umani simulați și modificați genetic, derivati ​​din H9. Ei au folosit PCR cantitativ în timp real (qPCR) pentru a confirma că acești organoizi exprimau ARN mesager TKTL1 (ARNm), urmat de secvențierea Sanger a produselor PCR. Ei au mapat organoizi simulați și modificați genetic la gena umană TKTL1 pentru a confirma expresia ARNm hTKTL1 în organoizii umani editați simulat și ARNm TKTL1 arheal în organoizii umani editați genetic.

Înainte de imunofluorescență, au tăiat criosecțiuni coronale cu o grosime de 20-50 μm folosind un criostat și au stocat aceste probe la -20 ° C. În primul rând, echipa a supus o singură suspensie celulară din neocortexul embrionar de șoarece la colorarea suprafeței celulare. Apoi, l-au microdisecat sub un stereomicroscop cu epifluorescență. În acest fel, au obținut regiunea electroporată a neocortexului. În cele din urmă, echipa a folosit spectrometria de masă (MS) pentru a determina concentrațiile de acetil-coenzimă A (acetil-CoA) în bRG izolat prin sortarea celulelor activate prin fluorescență (FACS).

Rezultatele studiului

Desigur, neocortexul embrionului de șoarece îi lipsește expresia TKTL1. Introducerea genei hTKTL1 în neocortexul embrionilor de șoarece a crescut frecvența bRG fără a afecta progenitorii intermediari bazali (bIPs) și populația progenitoare apicale, care, la rândul lor, a crescut producția de neuroni corticali în timp, în special a neuronilor din stratul superior cu dezvoltare târzie. În schimb, aTKTL1, care diferă doar cu un aminoacid, nu a crescut abundența bRG.

În plus, autorii au descoperit că expresia hTKTL1 a crescut abundența bRG și proporția de bRG multiproces, un semn distinctiv al bRG care se poate auto-întări, în dezvoltarea neocortexului dihorului. În consecință, dimensiunea girusului dihorului a crescut.

În plus, cercetătorii au observat că organoizii celulari care exprimă aTKTL1 au conținut mai puține celule bRG și neuroprogenitoare. Această descoperire a confirmat că substituția lizină-la-arginină în hTKTL1 a fost esențială pentru menținerea populației bRG în acest model de creier uman. De asemenea, expresia hTKTL1 a crescut în neuroprogenitori în timpul neurogenezei în neocortexul fetal uman. Interesant este că această expresie a fost mai mare în lobul frontal în curs de dezvoltare decât în ​​lobul occipital în curs de dezvoltare.

O altă observație interesantă a fost că hTKTL1 a îmbunătățit populația bRG prin două căi metabolice secvențiale, calea pentozei fosfat (PPP) și sinteza acizilor grași. Prin urmare, atunci când cercetătorii au suprimat PPP sau căile de sinteză a acizilor grași cu o serie de inhibitori specifici, creșterea indusă de hTKTL1 a populației bRG în neocortexul embrionar de șoarece a încetat. În mod similar, numerele bRG au fost reduse în țesutul neocortical fetal uman.

Mai mult, autorii au descoperit că bRG-urile stimulate de hTKTL1, dar nu bRG-urile induse de aTKTL1, au avut o concentrație mai mare de acetil-CoA, un metabolit esențial pentru sinteza acizilor grași. Astfel, doar hTKTL1 a promovat sinteza lipidelor membranare care conțin un tip de acid gras necesar pentru derularea proceselor bRG, crescând populația acestora.

Concluzii

Studiul actual a arătat ce diferențiază neurogeneza neocorticală la oamenii moderni de cei de Neanderthal. Deși acești oameni arhaici aveau creier similar (în dimensiune) cu oamenii moderni, o singură substituție de lizină cu arginina în gena hTKTL1 a dus la abundența bRG, dar nu și la cea a bIP-urilor, care, la rândul lor, a generat mai mulți neuroni neocorticali la oamenii moderni. În plus, cercetătorii au arătat că efectul hTKTL1 a necesitat sinteza PPP și a acizilor grași, iar inhibarea acestor căi a redus abundența bRG în țesutul neocortical uman fetal.

Referinţă:

• 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

.