Úloha génu podobného transketoláze-1 vo vývoji moderného ľudského mozgu

Úloha génu podobného transketoláze-1 vo vývoji moderného ľudského mozgu

V nedávno publikovanej štúdii v Veda Výskumníci ukázali, ako expresia génu podobná transketoláze 1 (TKTL1) ovplyvňuje neokortikálnu neurogenézu u moderných ľudí.

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

pozadia

Je zaujímavé, že jedna substitúcia aminokyseliny v TKTL1, od lyzínu u opíc a archaických ľudí po arginín u moderných ľudí, zmenila funkciu a organizáciu mozgových vrstiev, ako je neokortex, najmä v prednom laloku. Evolučné zmeny v neokortexe mozgu a sprievodné zvýšenie produkcie neurónov zlepšili kognitívne schopnosti moderných ľudí. Endocastové analýzy ukázali, že endokraniálny objem moderných ľudí a neandertálcov bol podobný, čo naznačuje podobnú veľkosť neokortexu. Fosílie však nemohli pomôcť posúdiť, či podobná veľkosť neokortexu znamená podobnú produkciu neokortikálnych neurónov.

Predchádzajúca štúdia Pinsona a kol. analyzovali účinok zmeny jedinej aminokyseliny v proteíne TKTL1 na produkciu bazálnej radiálnej glie (bRG), buniek, ktoré tvoria väčšinu neokortexu. Pozorovali, že v organoidoch ľudský variant TKTL1 (hTKTL1) generoval viac neuroprogenitorov ako archaický variant (aTKTL1) nájdený u neandertálcov, denisovanov a iných primátov. Možno aj preto majú moderní ľudia v mozgu viac neokortexu ako neandertálci.

O štúdiu

V tejto štúdii výskumníci skúmali úlohu TKTL1 vo vývoji neokortexu, čo zase ovplyvňuje počet neuroprogenitorov. Okrem toho určili, či aTKTL1 a hTKTL1 majú podobné účinky na neuroprogenitory počas vývoja neokortexu.

Štúdia využívala nadmernú expresiu génov pri vývoji neokortexu myší a fretiek. Podobne použili technológiu knockout vo fetálnom ľudskom neokortikálnom tkanive a technológiu úpravy genómu na štúdium cerebrálnych organoidov.

Použitím klastrovaných pravidelne rozmiestnených krátkych palindromických opakovaní (CRISPR)-CRISPR-asociovaný proteín 9 (Cas9) sprostredkovanej hTKTL1 knockout technológie ukázali, že hTKTL1 knockout vo fetálnom ľudskom neokortikálnom tkanive významne znížil počet brG. Ďalej tím použil mozgové organoidy na potvrdenie svojich výsledkov. Tieto mini-mozgové štruktúry vyrobené z ľudských embryonálnych kmeňových buniek mali aTKTL1 namiesto hTKTL1.

Konkrétne tím získal celkovú ribonukleovú kyselinu (RNA) z falošných a génovo upravených ľudských organoidov odvodených od H9. Použili kvantitatívnu PCR v reálnom čase (qPCR), aby potvrdili, že tieto organoidy exprimovali TKTL1 messenger RNA (mRNA), po čom nasledovalo Sangerovo sekvenovanie produktov PCR. Mapovali falošné a génovo upravené organoidy na ľudský gén TKTL1, aby potvrdili expresiu hTKTL1 mRNA vo falošne upravených ľudských organoidoch a archaálnej TKTL1 mRNA v génom upravených ľudských organoidoch.

Pred imunofluorescenciou narezali koronálne kryorezy s hrúbkou 20–50 μm pomocou kryostatu a tieto vzorky uložili pri teplote -20 °C. Najprv tím podrobil jednobunkovú suspenziu z neokortexu embryonálnej myši farbeniu povrchu buniek. Potom ju mikrodisekovali pod epifluorescenčným stereomikroskopom. Týmto spôsobom získali elektroporovanú oblasť neokortexu. Nakoniec tím použil hmotnostnú spektrometriu (MS) na určenie koncentrácií acetyl-koenzýmu A (acetyl-CoA) v bRG izolovanom triedením buniek aktivovaným fluorescenciou (FACS).

Výsledky štúdie

Neokortex myšieho embrya samozrejme nemá expresiu TKTL1. Zavedenie génu hTKTL1 do neokortexu myších embryí zvýšilo frekvenciu bRG bez ovplyvnenia bazálnych intermediárnych progenitorov (bIP) a populácie apikálnych progenitorov, čo zase v priebehu času zvýšilo produkciu kortikálnych neurónov, najmä neskoro sa vyvíjajúcich neurónov hornej vrstvy. Naopak, aTKTL1, ktorý sa líšil iba jednou aminokyselinou, nezvýšil množstvo bRG.

Okrem toho autori zistili, že expresia hTKTL1 zvýšila početnosť bRG a podiel viacprocesového bRG, čo je charakteristický znak bRG, ktorý sa môže sám posilniť, pri vývoji neokortexu fretky. V dôsledku toho sa veľkosť gyrusu fretky zväčšila.

Okrem toho vedci pozorovali, že bunkové organoidy exprimujúce aTKTL1 obsahovali menej bRG a neuroprogenitorových buniek. Toto zistenie potvrdilo, že substitúcia lyzínu za arginín v hTKTL1 bola nevyhnutná na udržanie populácie bRG v tomto modeli ľudského mozgu. Podobne sa expresia hTKTL1 zvýšila v neuroprogenitoroch počas neurogenézy v neokortexe ľudského plodu. Je zaujímavé, že tento výraz bol vyšší vo vyvíjajúcom sa prednom laloku ako vo vyvíjajúcom sa okcipitálnom laloku.

Ďalším zaujímavým pozorovaním bolo, že hTKTL1 zvýšil populáciu bRG prostredníctvom dvoch sekvenčných metabolických dráh, pentózofosfátovej dráhy (PPP) a syntézy mastných kyselín. Preto, keď výskumníci potlačili dráhy syntézy PPP alebo mastných kyselín sériou špecifických inhibítorov, hTKTL1-indukované zvýšenie populácie bRG v neokortexe embryonálnych myší prestalo. Podobne boli znížené počty bRG v ľudskom fetálnom neokortikálnom tkanive.

Ďalej autori zistili, že bRG stimulované hTKTL1, ale nie bRG indukované aTKTL1, mali vyššiu koncentráciu acetyl-CoA, metabolitu rozhodujúceho pre syntézu mastných kyselín. Iba hTKTL1 teda podporoval syntézu membránových lipidov obsahujúcich typ mastnej kyseliny potrebnej na prerastanie procesov bRG, čím sa zvýšila ich populácia.

Závery

Súčasná štúdia ukázala, čo odlišuje neokortikálnu neurogenézu u moderných ľudí od neandertálcov. Hoci títo archaickí ľudia mali podobné mozgy (vo veľkosti) ako moderní ľudia, jediná substitúcia lyzínu za arginín v géne hTKTL1 viedla k hojnosti bRG, ale nie k hojnosti bIP, čo zase generovalo viac neokortikálnych neurónov u moderných ľudí. Okrem toho výskumníci ukázali, že účinok hTKTL1 vyžadoval syntézu PPP a mastných kyselín a inhibícia týchto dráh znížila množstvo bRG v ľudskom neokortikálnom tkanive plodu.

Referencia:

• 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

.