В недавнем исследовании, опубликованном в журнале  Science , исследователи продемонстрировали, как экспрессия гена, подобного транскетолазе 1 (TKTL1), влияет на нейрогенез неокортекса у современных людей.

Фон

Интересно, что замена одной аминокислоты в TKTL1, от лизина у человекообразных обезьян и архаичных людей до аргинина у современных людей, изменила функцию и организацию слоев мозга, таких как неокортекс, особенно в лобных долях. Эволюционные изменения в неокортексе головного мозга и одновременное увеличение производства нейронов усилили когнитивные способности, наблюдаемые у современных людей. Анализ эндокаста показал, что эндокраниальный объем современных людей и неандертальцев был одинаковым, что свидетельствует об одинаковом размере неокортекса. Однако окаменелости не могли помочь оценить, подразумевает ли одинаковый размер неокортекса сходное образование нейронов неокортекса.

Предыдущее исследование Pinson et al. проанализировали влияние одной аминокислотной замены в белке TKTL1 на продукцию базальной радиальной глии (bRG), клеток, генерирующих большую часть неокортекса. Они заметили, что в органоидах человеческий вариант TKTL1 (hTKTL1) продуцирует больше нейропредшественников, чем архаичный вариант (aTKTL1), обнаруженный у неандертальцев, денисовцев и других приматов. Возможно, именно поэтому у современных людей в мозгу больше неокортекса, чем у неандертальцев.

Об исследовании

В настоящем исследовании ученые исследовали роль TKTL1 в развитии неокортекса, что, в свою очередь, влияет на количество нейропредшественников. Кроме того, они определили, оказывают ли aTKTL1 и hTKTL1 сходные эффекты на нейропредшественники во время развития неокортекса.

В исследовании использовалась гиперэкспрессия генов у развивающихся мышей и неокортекса хорьков. Точно так же они использовали технологию нокаута в неокортикальной ткани плода человека и технологию редактирования генома для изучения церебральных органоидов.

Используя сгруппированные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы (CRISPR) — CRISPR-ассоциированный белок 9 (Cas9), опосредованный технологией нокаута hTKTL1, они показали, что нокаут hTKTL1 в неокортикальной ткани плода человека существенно снижает количество brG. Затем команда использовала церебральные органоиды для подтверждения своих выводов. Эти структуры мини-мозга, сделанные из эмбриональных стволовых клеток человека, имели aTKTL1 вместо hTKTL1.

В частности, команда получила общую рибонуклеиновую кислоту (РНК) из фиктивных и отредактированных человеческих органоидов, полученных из H9. Они использовали количественную ПЦР в реальном времени (кПЦР) для подтверждения того, что эти органоиды экспрессируют матричную РНК (мРНК) TKTL1 с последующим секвенированием продуктов ПЦР по Сэнгеру. Они сопоставили органоиды с имитацией и редактированием генов с геном TKTL1 человека, чтобы подтвердить экспрессию мРНК hTKTL1 в органоидах с ложным редактированием и архаичной мРНК TKTL1 в органоидах человека с редактированием генов.

Перед иммунофлуоресценцией они вырезали корональные криосрезы толщиной 20-50 мкм с помощью криостата и хранили эти образцы при -20°С. Во-первых, группа исследователей подвергла окрашиванию клеточной поверхности суспензию одиночных клеток из неокортекса эмбриональной мыши. Затем они сделали микродиссекцию под эпифлуоресцентным стереомикроскопом. Таким образом они получили электропорированную область неокортекса. Наконец, команда использовала масс-спектрометрию (МС) для определения уровней ацетилкоэнзима А (ацетил-КоА) в bRG, изолированном от сортировки флуоресцентно-активированных клеток (FACS).

Результаты исследования

Естественно, в неокортексе эмбриона мыши отсутствует экспрессия TKTL1. Введение гена hTKTL1 в неокортекс эмбриона мыши увеличивало количество bRG, не влияя на базальные промежуточные предшественники (bIP) и популяцию апикальных предшественников, что, в свою очередь, со временем увеличивало продукцию кортикальных нейронов, особенно поздно развивающихся нейронов верхнего слоя. Наоборот, aTKTL1, отличающийся только одной аминокислотой, не увеличивал количество bRG.

Кроме того, авт. отметили, что экспрессия hTKTL1 увеличивала обилие bRG и долю bRG с множественными отростками, что является признаком bRG, способного к самоамплификации, в развивающемся неокортексе хорьков. Следовательно, размер извилины хорька увеличился.

Кроме того, исследователи заметили, что клеточные органоиды, экспрессирующие aTKTL1, содержат меньше клеток bRG и нейропредшественников. Это открытие подтвердило, что замена лизина на аргинин в hTKTL1 необходима для поддержания популяции bRG в этой модели человеческого мозга. Сходным образом экспрессия hTKTL1 в нейропредшественниках увеличивалась во время нейрогенеза в неокортексе плода человека. Интересно, что эта экспрессия была выше в развивающейся лобной доле, чем в развивающейся затылочной доле.

Другое интересное наблюдение заключалось в том, что hTKTL1 увеличивал популяцию bRG посредством двух последовательных метаболических путей, пентозофосфатного пути (PPP) и синтеза жирных кислот. Следовательно, когда исследователи подавляли пути синтеза PPP или жирных кислот с помощью ряда специфических ингибиторов, вызываемое hTKTL1 увеличение популяции bRG прекращалось в неокортексе эмбрионов мышей. Точно так же количество bRG было снижено в неокортикальной ткани плода человека.

Кроме того, авторы отметили, что bRG, стимулированные hTKTL1, но не bRG, индуцированные aTKTL1, имели более высокую концентрацию ацетил-коА, метаболита, имеющего решающее значение для синтеза жирных кислот. Таким образом, только hTKTL1 способствует синтезу мембранных липидов, содержащих тип жирной кислоты, необходимый для роста отростков bRG, что увеличивает их популяцию.

Выводы

Текущее исследование показало, что отличает нейрогенез неокортекса современных людей от неандертальцев. Хотя у этих архаичных людей мозг был таким же (по размеру), как и у современных людей, единственная замена лизина на аргинин в гене hTKTL1 привела к обилию bRG, но не к количеству bIP, которые, в свою очередь, генерировали больше нейронов неокортекса у современных людей. Кроме того, исследователи продемонстрировали, что эффект hTKTL1 требует синтеза PPP и жирных кислот, а ингибирование этих путей снижает количество bRG в неокортикальной ткани плода человека.