Исследователи из Дрездена обнаружили, что у современных людей во время развития мозга в лобной доле происходит большее образование нейронов, чем у неандертальцев, из-за замены одной аминокислоты в белке TKTL1.

Вопрос о том, что делает современных людей уникальными, долгое время был движущей силой для исследователей. Таким образом, сравнения с нашими ближайшими родственниками, неандертальцами, дают захватывающую информацию. Увеличение размера мозга и производство нейронов во время развития мозга считаются основными факторами повышения когнитивных способностей, которые произошли в ходе эволюции человека. Однако, хотя и у неандертальцев, и у современных людей мозг развивается одинакового размера, очень мало известно о том, мог ли мозг современного человека и неандертальца различаться с точки зрения производства нейронов в процессе развития.

Исследователи из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене теперь показывают, что современный человеческий вариант белка TKTL1, который отличается от неандертальского варианта только одной аминокислотой, увеличивает один тип мозга-предшественника. клетки, называемые базальной радиальной глией, в мозгу современного человека. Клетки базальной радиальной глии генерируют большинство нейронов в развивающемся неокортексе, части мозга, которая имеет решающее значение для многих когнитивных способностей. Поскольку активность TKTL1 особенно высока в лобной доле головного мозга плода человека, исследователи пришли к выводу, что эта единственная специфичная для человека аминокислотная замена в TKTL1 лежит в основе большей продукции нейронов в развивающейся лобной доле неокортекса у современных людей, чем у неандертальцев.

Только небольшое количество белков имеет различия в последовательности аминокислот — строительных блоков белков — между современными людьми и нашими вымершими родственниками, неандертальцами и денисовцами. Биологическое значение этих различий для развития современного человеческого мозга в значительной степени неизвестно. На самом деле и у современных людей, и у неандертальцев мозг, и особенно неокортекс, имеют одинаковый размер, но остается неясным, подразумевает ли этот одинаковый размер неокортекса одинаковое количество нейронов.

Последнее исследование исследовательской группы Виланда Хаттнера, одного из директоров-основателей Института молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене, проведенное в сотрудничестве со Сванте Паабо, директором Института Макса Планка Эволюционная антропология в Лейпциге и Паулина Вимбергер из университетской больницы Дрездена и их коллеги обращаются именно к этому вопросу. Исследователи сосредоточились на одном из этих белков, который представляет собой единственную аминокислотную замену практически у всех современных людей по сравнению с неандертальцами, белок, подобный транскетолазе 1 (TKTL1). В частности, у современных людей TKTL1 содержит аргинин в рассматриваемом положении последовательности, тогда как у неандертальца TKTL1 представляет собой родственную аминокислоту лизин. В неокортексе плода человека TKTL1 обнаружен в клетках-предшественниках неокортекса, клетки, из которых происходят все корковые нейроны. Примечательно, что уровень TKTL1 самый высокий в клетках-предшественниках лобной доли.

TKTL1 современного человека, но не TKTL1 неандертальца, приводит к большему количеству нейронов в неокортексе эмбриона мыши.

Аннелин Пинсон, ведущий автор исследования и исследователь в группе Виланда Хаттнера, решила изучить значение этой замены одной аминокислоты для развития неокортекса. Аннелин и ее коллеги ввели либо современный человеческий, либо неандертальский вариант TKTL1 в неокортекс эмбрионов мыши. Они заметили, что базальные радиальные глиальные клетки, тип неокортикальных предшественников, которые, как считается, являются движущей силой для увеличения мозга, увеличивались с современным человеческим вариантом TKTL1, но не с неандертальским вариантом. Как следствие, мозг эмбрионов мышей с TKTL1 современного человека содержал больше нейронов.

Больше нейронов в лобной доле современного человека

После этого исследователи изучили актуальность этих эффектов для развития человеческого мозга. С этой целью они заменили аргинин в TKTL1 современного человека лизином, характерным для TKTL1 неандертальца, используя органоиды человеческого мозга — миниатюрные органоподобные структуры, которые можно выращивать из стволовых клеток человека в чашках для культивирования клеток в лаборатории и которые имитируют аспекты человеческого мозга. Раннее развитие человеческого мозга.

Мы обнаружили, что с неандертальским типом аминокислоты в TKTL1 продуцируется меньше базальных клеток радиальной глии, чем с современным человеческим типом, и, как следствие, меньше нейронов. Это показывает нам, что, хотя мы не знаем, сколько нейронов было в мозгу неандертальца, мы можем предположить, что у современных людей больше нейронов в лобной доле мозга, где активность TKTL1 самая высокая, чем у неандертальцев».

Аннелин Пинсон, ведущий автор исследования

Исследователи также обнаружили, что современный человеческий TKTL1 действует посредством изменений в метаболизме, в частности, стимуляции пентозофосфатного пути, за которым следует усиление синтеза жирных кислот. Таким образом, считается, что современный человеческий TKTL1 увеличивает синтез определенных мембранных липидов, необходимых для образования длинного отростка базальных радиальных глиальных клеток, который стимулирует их пролиферацию и, следовательно, увеличивает продукцию нейронов.

«Это исследование подразумевает, что производство нейронов в неокортексе во время развития плода у современных людей выше, чем у неандертальцев, особенно в лобной доле», — резюмирует Виланд Хаттнер, руководивший исследованием. «Заманчиво предположить, что это способствовало развитию когнитивных способностей современного человека, связанных с лобной долей».