Transketolas-liknande-1-genens roll i utvecklingen av den moderna mänskliga hjärnan

Transketolas-liknande-1-genens roll i utvecklingen av den moderna mänskliga hjärnan

I en nyligen publicerad studie i Vetenskap Forskare visade hur transketolasliknande 1 (TKTL1) genuttryck påverkar neokortikal neurogenes hos moderna människor.

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

bakgrund

Intressant nog förändrade en enda aminosyrasubstitution i TKTL1, från lysin i apor och ålderdomliga människor till arginin hos moderna människor, funktionen och organisationen av hjärnskikt som neocortex, särskilt i frontalloben. De evolutionära förändringarna i hjärnans neocortex och den åtföljande ökningen av neuronproduktion förbättrade moderna människors kognitiva förmågor. Endocast-analyser har visat att den endokraniella volymen hos moderna människor och neandertalare var liknande, vilket tyder på liknande storlek på neocortex. Fossiler kunde dock inte hjälpa till att bedöma om liknande neocortexstorlek antydde liknande neokortikal neuronproduktion.

En tidigare studie av Pinson et al. analyserade effekten av en enda aminosyraförändring i TKTL1-proteinet på produktionen av basal radiell glia (bRG), cellerna som bildar det mesta av neocortex. De observerade att i organoider genererade den mänskliga varianten av TKTL1 (hTKTL1) fler neuroprogenitorer än den arkaiska varianten (aTKTL1) som finns hos neandertalare, denisovaner och andra primater. Kanske är det därför moderna människor har mer neocortex i sina hjärnor än neandertalare.

Om att studera

I den aktuella studien undersökte forskare rollen av TKTL1 i utvecklingen av neocortex, vilket i sin tur påverkar antalet neuroprogenitorer. Dessutom bestämde de om aTKTL1 och hTKTL1 har liknande effekter på neuroprogenitorer under neocortexutveckling.

Studien använde genöveruttryck för att utveckla neocortex från mus och iller. Likaså använde de knockout-teknik i foster mänsklig neokortikal vävnad och genomredigeringsteknik för att studera cerebrala organoider.

Med hjälp av klustrade regelbundet mellanrum korta palindromiska upprepningar (CRISPR)-CRISPR-associerade protein 9 (Cas9)-medierade hTKTL1 knockout-teknologi, visade de att hTKTL1 knockout i foster human neokortikal vävnad signifikant minskade brG-nummer. Därefter använde teamet cerebrala organoider för att validera sina resultat. Dessa minihjärnstrukturer gjorda av mänskliga embryonala stamceller hade aTKTL1 istället för hTKTL1.

Specifikt erhöll teamet total ribonukleinsyra (RNA) från falska och genredigerade H9-härledda mänskliga organoider. De använde kvantitativ realtids-PCR (qPCR) för att bekräfta att dessa organoider uttryckte TKTL1-budbärar-RNA (mRNA), följt av Sanger-sekvensering av PCR-produkterna. De kartlade sken- och genredigerade organoider till den mänskliga TKTL1-genen för att bekräfta uttrycket av hTKTL1-mRNA i de skenredigerade mänskliga organoiderna och arkeala TKTL1-mRNA i de genredigerade mänskliga organoiderna.

Innan immunfluorescens skar de koronala kryosektioner med en tjocklek av 20–50 μm med hjälp av en kryostat och lagrade dessa prover vid -20 ° C. Först utsatte teamet en enda cellsuspension från den embryonala musens neocortex för cellytefärgning. Därefter mikrodissekerade de det under ett epifluorescensstereomikroskop. På detta sätt erhöll de den elektroporerade regionen av neocortex. Slutligen använde teamet masspektrometri (MS) för att bestämma koncentrationerna av acetyl-koenzym A (acetyl-CoA) i bRG isolerad genom fluorescensaktiverad cellsortering (FACS).

Studieresultat

Naturligtvis saknar musembryot neocortex TKTL1-uttryck. Introduktion av hTKTL1-genen i neocortex hos musembryon ökade frekvensen av bRG utan att påverka de basala mellanliggande progenitorerna (bIPs) och apikala progenitorpopulationen, vilket i sin tur ökade kortikala neuronproduktion över tiden, särskilt av sent utvecklande neuroner i det övre lagret. Omvänt ökade inte aTKTL1, som skilde sig med endast en aminosyra, inte bRG-överflöd.

Dessutom fann författarna att hTKTL1-uttryck ökade bRG-överflöd och andelen multiprocess bRG, ett kännetecken för bRG som kan vara självförstärkande, vid utveckling av iller neocortex. Följaktligen ökade illerns gyrusstorlek.

Dessutom observerade forskarna att de aTKTL1-uttryckande cellorganoiderna innehöll färre bRG- och neuroprogenitorceller. Detta fynd bekräftade att lysin-till-arginin-substitutionen i hTKTL1 var väsentlig för upprätthållandet av bRG-populationen i denna mänskliga hjärnmodell. På samma sätt ökade uttrycket av hTKTL1 i neuroprogenitorer under neurogenes i den humana fostrets neocortex. Intressant nog var detta uttryck högre i den utvecklande frontalloben än i den utvecklande occipitalloben.

En annan intressant observation var att hTKTL1 förbättrade bRG-populationen genom två sekventiella metaboliska vägar, pentosfosfatvägen (PPP) och fettsyrasyntes. Därför, när forskarna undertryckte PPP- eller fettsyrasyntesvägarna med en serie specifika inhibitorer, upphörde den hTKTL1-inducerade ökningen av bRG-populationen i den embryonala musneocortexen. På liknande sätt reducerades bRG-tal i human fetal neokortikal vävnad.

Dessutom fann författarna att hTKTL1-stimulerade bRGs, men inte aTKTL1-inducerade bRGs, hade en högre koncentration av acetyl-CoA, en metabolit som är avgörande för fettsyrasyntesen. Således främjade endast hTKTL1 syntesen av membranlipider som innehåller en typ av fettsyra som krävs för utväxten av bRG-processer, vilket ökade deras befolkning.

Slutsatser

Den aktuella studien visade vad som skiljer neokortikal neurogenes hos moderna människor från neandertalare. Även om dessa ålderdomliga människor hade liknande hjärnor (i storlek) som moderna människor, resulterade en enda lysin-till-arginin-substitution i hTKTL1-genen i bRG-överflöd men inte det för bIPs, vilket i sin tur genererade fler neokortikala neuroner hos moderna människor. Vidare visade forskarna att hTKTL1-effekten krävde PPP- och fettsyrasyntes, och hämning av dessa vägar minskade bRG-överflöd i fetal human neokortikal vävnad.

Hänvisning:

• 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

.