transketolase-like-1基因在现代人脑发育中的作用

transketolase-like-1基因在现代人脑发育中的作用

在最近发表的一项研究中 科学 研究人员展示了转酮醇酶样 1 (TKTL1) 基因表达如何影响现代人类的新皮质神经发生。

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

背景

有趣的是，TKTL1 中的单个氨基酸取代（从猴子和古代人类的赖氨酸到现代人类的精氨酸）改变了新皮质等大脑层的功能和组织，特别是额叶。 大脑新皮质的进化变化以及随之而来的神经元产生的增加提高了现代人类的认知能力。 内铸分析表明，现代人类和尼安德特人的颅内体积相似，这表明新皮质的大小相似。 然而，化石无法帮助评估相似的新皮质大小是否意味着相似的新皮质神经元产生。

Pinson 等人之前的一项研究。 分析了 TKTL1 蛋白中单个氨基酸的变化对基底放射状胶质细胞（bRG）（形成大部分新皮质的细胞）产生的影响。 他们观察到，在类器官中，人类 TKTL1 变体（hTKTL1）比尼安德特人、丹尼索瓦人和其他灵长类动物中发现的古老变体（aTKTL1）产生更多的神经祖细胞。 也许这就是为什么现代人类的大脑比尼安德特人有更多的新皮质。

关于学习

在本研究中，研究人员检查了 TKTL1 在新皮质发育中的作用，这反过来又影响神经祖细胞的数量。 此外，他们还确定了 aTKTL1 和 hTKTL1 在新皮质发育过程中是否对神经祖细胞具有类似的作用。

该研究在小鼠和雪貂新皮质的发育过程中使用了基因过度表达。 同样，他们利用人类胎儿新皮质组织的敲除技术和基因组编辑技术来研究大脑类器官。

他们利用成簇规则间隔短回文重复序列（CRISPR）-CRISPR相关蛋白9（Cas9）介导的hTKTL1敲除技术，发现人类胎儿新皮质组织中的hTKTL1敲除显着减少了brG数量。 接下来，研究小组使用大脑类器官来验证他们的结果。 这些由人类胚胎干细胞制成的微型大脑结构具有 aTKTL1，而不是 hTKTL1。

具体来说，该团队从模拟和基因编辑的 H9 衍生人类器官中获得了总核糖核酸 (RNA)。 他们使用实时定量 PCR (qPCR) 来确认这些类器官表达 TKTL1 信使 RNA (mRNA)，然后对 PCR 产物进行桑格测序。 他们将模拟和基因编辑的类器官映射到人类 TKTL1 基因，以确认模拟编辑的人类类器官中 hTKTL1 mRNA 的表达以及基因编辑的人类类器官中古菌 TKTL1 mRNA 的表达。

在进行免疫荧光之前，他们使用低温恒温器切割厚度为 20-50 μm 的冠状冷冻切片，并将这些样本储存在 -20 °C 下。 首先，研究小组对来自胚胎小鼠新皮质的单细胞悬浮液进行细胞表面染色。 接下来，他们在落射荧光立体显微镜下对它进行了显微解剖。 通过这种方式，他们获得了新皮质的电穿孔区域。 最后，研究小组使用质谱 (MS) 测定了通过荧光激活细胞分选 (FACS) 分离的 bRG 中乙酰辅酶 A (乙酰辅酶 A) 的浓度。

研究结果

当然，小鼠胚胎新皮质缺乏 TKTL1 表达。 将 hTKTL1 基因引入小鼠胚胎的新皮质中，增加了 bRG 的频率，而不影响基底中间祖细胞 (bIP) 和顶端祖细胞群，这反过来又随着时间的推移增加了皮质神经元的产生，特别是晚期发育的上层神经元。 相反，仅一个氨基酸不同的aTKTL1并没有增加bRG丰度。

此外，作者发现 hTKTL1 表达增加了 bRG 丰度和多进程 bRG 的比例，这是 bRG 在雪貂新皮质发育过程中可以自我强化的标志。 因此，雪貂的脑回尺寸增大。

此外，研究人员观察到表达 aTKTL1 的细胞类器官含有较少的 bRG 和神经祖细胞。 这一发现证实，hTKTL1 中的赖氨酸替换为精氨酸对于维持该人脑模型中的 bRG 群体至关重要。 同样，在人类胎儿新皮质的神经发生过程中，hTKTL1 的表达在神经祖细胞中增加。 有趣的是，这种表达在额叶发育中高于枕叶发育中。

另一个有趣的观察是 hTKTL1 通过两个连续的代谢途径，即磷酸戊糖途径 (PPP) 和脂肪酸合成来增强 bRG 群体。 因此，当研究人员用一系列特异性抑制剂抑制PPP或脂肪酸合成途径时，hTKTL1诱导的胚胎小鼠新皮质中bRG群体的增加停止了。 同样，人类胎儿新皮质组织中的 bRG 数量也减少了。

此外，作者发现 hTKTL1 刺激的 bRG，而不是 aTKTL1 诱导的 bRG，具有较高浓度的乙酰辅酶 A，乙酰辅酶 A 是脂肪酸合成的关键代谢物。 因此，只有 hTKTL1 促进含有 bRG 过程生长所需的一种脂肪酸的膜脂的合成，从而增加其数量。

结论

目前的研究揭示了现代人类与尼安德特人新皮质神经发生的区别。 尽管这些古人类的大脑（大小）与现代人类相似，但 hTKTL1 基因中的单个赖氨酸替换为精氨酸会导致 bRG 丰度，但不会导致 bIP 丰度，而 bIP 反过来又在现代人类中产生更多新皮质神经元。 此外，研究人员表明，hTKTL1 效应需要 PPP 和脂肪酸合成，抑制这些途径会降低胎儿人类新皮质组织中的 bRG 丰度。

参考：

• 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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