Vloga gena transketolaze-like-1 v razvoju sodobnih človeških možganov

Vloga gena transketolaze-like-1 v razvoju sodobnih človeških možganov

V nedavno objavljeni študiji v Znanost Raziskovalci so pokazali, kako ekspresija gena, podobnega transketolazi 1 (TKTL1), vpliva na neokortikalno nevrogenezo pri sodobnih ljudeh.

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

ozadje

Zanimivo je, da je ena sama aminokislinska zamenjava v TKTL1, od lizina pri opicah in arhaičnih ljudeh do arginina pri sodobnih ljudeh, spremenila delovanje in organizacijo možganskih plasti, kot je neokorteks, zlasti v čelnem režnju. Evolucijske spremembe v možganskem neokorteksu in sočasno povečanje proizvodnje nevronov so izboljšale kognitivne sposobnosti sodobnega človeka. Endocast analize so pokazale, da je bil endokranialni volumen sodobnega človeka in neandertalca podoben, kar kaže na podobno velikost neokorteksa. Vendar pa fosili niso mogli pomagati oceniti, ali podobna velikost neokorteksa pomeni podobno proizvodnjo neokortikalnih nevronov.

Prejšnja študija Pinsona et al. analiziral učinek spremembe ene same aminokisline v proteinu TKTL1 na proizvodnjo bazalne radialne glije (bRG), celic, ki tvorijo večino neokorteksa. Opazili so, da je v organoidih človeška različica TKTL1 (hTKTL1) ustvarila več nevroprogenitorjev kot arhaična različica (aTKTL1), ki jo najdemo pri neandertalcih, denisovancih in drugih primatih. Morda ima sodobni človek v možganih več neokorteksa kot neandertalec.

O študiju

V tej študiji so raziskovalci preučevali vlogo TKTL1 pri razvoju neokorteksa, kar posledično vpliva na število nevroprogenitorjev. Poleg tega so ugotovili, ali imata aTKTL1 in hTKTL1 podobne učinke na nevroprogenitorje med razvojem neokorteksa.

Študija je uporabila prekomerno izražanje genov pri razvoju neokorteksa miši in dihurjev. Podobno so uporabili tehnologijo knockout v fetalnem človeškem neokortikalnem tkivu in tehnologijo za urejanje genoma za preučevanje cerebralnih organoidov.

Z uporabo tehnologije izločitve hTKTL1, posredovane s CRISPR-povezano redno razporejeno kratkimi palindromskimi ponovitvami (CRISPR) in proteinom 9 (Cas9), so pokazali, da je izločitev hTKTL1 v fetalnem človeškem neokortikalnem tkivu znatno zmanjšala število brG. Nato je ekipa uporabila cerebralne organoide za potrditev svojih rezultatov. Te mini možganske strukture, narejene iz izvornih celic človeških zarodkov, so imele aTKTL1 namesto hTKTL1.

Natančneje, ekipa je pridobila celotno ribonukleinsko kislino (RNA) iz lažnih in gensko urejenih človeških organoidov, pridobljenih iz H9. Uporabili so kvantitativno PCR v realnem času (qPCR), da potrdijo, da ti organoidi izražajo TKTL1 messenger RNA (mRNA), čemur je sledilo Sangerjevo sekvenciranje produktov PCR. Preslikali so lažne in gensko urejene organoide na človeški gen TKTL1, da bi potrdili izražanje mRNA hTKTL1 v lažno urejenih človeških organoidih in arhealne mRNA TKTL1 v gensko urejenih človeških organoidih.

Pred imunofluorescenco so s kriostatom izrezali koronalne kriosekcije debeline 20–50 μm in te vzorce shranili pri –20 °C. Najprej je ekipa izpostavila eno celično suspenzijo iz embrionalnega mišjega neokorteksa obarvanju celične površine. Nato so ga mikrodisecirali pod epifluorescenčnim stereomikroskopom. Na ta način so dobili elektroporirano področje neokorteksa. Končno je skupina uporabila masno spektrometrijo (MS) za določitev koncentracij acetil-koencima A (acetil-CoA) v bRG, izoliranem s fluorescenčno aktiviranim razvrščanjem celic (FACS).

Rezultati študije

Seveda neokorteksu mišjega zarodka manjka izražanje TKTL1. Uvedba gena hTKTL1 v neokorteks mišjih zarodkov je povečala pogostnost bRG, ne da bi vplivala na bazalne vmesne progenitorje (bIP) in populacijo apikalnih progenitorjev, kar je sčasoma povečalo proizvodnjo kortikalnih nevronov, zlasti pozno razvijajočih se nevronov zgornje plasti. Nasprotno pa aTKTL1, ki se je razlikoval le z eno aminokislino, ni povečal številčnosti bRG.

Poleg tega so avtorji ugotovili, da je izražanje hTKTL1 povečalo številčnost bRG in delež večprocesnega bRG, značilnega znaka bRG, ki se lahko samookrepi, pri razvoju neokorteksa dihurjev. Posledično se je dihurjev girus povečal.

Poleg tega so raziskovalci opazili, da so celični organoidi, ki izražajo aTKTL1, vsebovali manj bRG in nevroprogenitornih celic. Ta ugotovitev je potrdila, da je bila substitucija lizina v arginin v hTKTL1 bistvena za vzdrževanje populacije bRG v tem modelu človeških možganov. Podobno se je izražanje hTKTL1 povečalo pri nevroprogenitorjih med nevrogenezo v neokorteksu človeškega ploda. Zanimivo je, da je bil ta izraz večji v čelnem režnju v razvoju kot v okcipitalnem režnju v razvoju.

Druga zanimiva ugotovitev je bila, da je hTKTL1 povečal populacijo bRG preko dveh zaporednih presnovnih poti, poti pentoznega fosfata (PPP) in sinteze maščobnih kislin. Ko so torej raziskovalci zatrli poti sinteze PPP ali maščobnih kislin z nizom specifičnih inhibitorjev, se je s hTKTL1 povzročeno povečanje populacije bRG v embrionalnem mišjem neokorteksu prenehalo. Podobno se je število bRG zmanjšalo v neokortikalnem tkivu človeškega ploda.

Poleg tega so avtorji ugotovili, da imajo bRG, ki jih spodbuja hTKTL1, ne pa bRG, ki jih povzroča aTKTL1, višjo koncentracijo acetil-CoA, presnovka, ki je ključnega pomena za sintezo maščobnih kislin. Tako je samo hTKTL1 spodbujal sintezo membranskih lipidov, ki vsebujejo vrsto maščobne kisline, potrebne za prerast procesov bRG, s čimer se je povečala njihova populacija.

Sklepi

Sedanja študija je pokazala, kaj razlikuje neokortikalno nevrogenezo pri sodobnih ljudeh od neandertalcev. Čeprav so imeli ti arhaični ljudje podobne možgane (po velikosti) kot sodobni ljudje, je ena sama zamenjava lizina z argininom v genu hTKTL1 povzročila številčnost bRG, ne pa tudi bIP, ki je posledično ustvarila več neokortikalnih nevronov pri sodobnih ljudeh. Poleg tega so raziskovalci pokazali, da učinek hTKTL1 zahteva sintezo PPP in maščobnih kislin, inhibicija teh poti pa je zmanjšala številčnost bRG v fetalnem človeškem neokortikalnem tkivu.

Referenca:

• 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

.