Една единствена замяна на аминокиселина в протеин води до по-голямо на неврони във фронталния лоб на неокортекса на хората в сравнение с неандерталците - малка разлика, която би могла да даде на нашия вид когнитивно предимство, разкрива ново изследване.

Какво прави съвременните хора уникални? Това е въпрос, който стимулира изследванията, сравняващи ни с най-близките ни роднини - неандерталците.

Увеличаването на размера на мозъка и увеличеното производство на неврони по време на развитието на мозъка се считат за основни фактори за повишените когнитивни способности, настъпили по време на човешката еволюция. Но макар че и неандерталците, и съвременните хора развиват мозъци със сходен размер, мозъкът на неандерталците се е развивал по-бавно от нашия.

Изследването, публикувано в Science, установява, че съвременните човешки и архаичните неандерталски версии на гена, който кодира протеина transketolase-like 1 (TKTL1), се различават само с една базова двойка. Тази точкова мутация в TKTL1 означава, че неандерталската версия на протеина има лизин, докато съвременната човешка версия има аргинин.

Учените от Института по молекулярна клетъчна биология и генетика "Макс Планк" (MPI-CBG) в Дрезден, провели проучването, откриват, че съвременният човешки вариант на протеина TKTL1, който се различава само с една аминокиселина от неандерталския вариант, увеличава в съвременния човешки мозък специфичен тип мозъчни прогениторни клетки, наречена базална радиална глия. Базалните радиални глиални клетки генерират по-голямата част от невроните в развиващия се неокортекс - част от мозъка, която е от съществено значение за много когнитивни способности. Тъй като активността на TKTL1 е особено висока във фронталния лоб на мозъка на плода, учените заключават, че тази единствена специфична за човека аминокиселинна замяна в TKTL1 е в основата на по-голямото производство на неврони в развиващия се фронтален лоб на неокортекса при съвременните хора, отколкото при неандерталците.

Провеждайки експерименти с фетална човешка неокортексна тъкан, модели на мишки и порове и конструирани човешки мозъчни органоиди, авторите на новото изследване заключават, че поведението на мутиралия ген може да обясни богатите на неврони мозъци на човечеството и може да сочи, въпреки че няма неандерталци, които да бъдат подложени за когнитивни тестове, че хората имат по-висок интелект от неандерталците.

Микроскопска снимка на деляща се базална радиална глиална клетка - тип прогениторна клетка, която генерира неврони по време на развитието на мозъка. Съвременният човешки TKTL1, но не и неандерталският TKTL1, увеличава количеството на базалната радиална глия и невроните. Кредит: Pinson et al., Science 2022 / MPI-CBG

Как се изучава неандерталския мозък?

Съавторът на изследването Анелине Пинсън (Anneline Pinson), невробиолог от Института по молекулярна клетъчна биология и генетика "Макс Планк" в Германия, обяснява, че са разчитали на съществуващите геномни данни за неандерталците. Виланд Хутнер (Wieland Huttner), в чиято лаборатория работи Пинсън, обяснява, че са се фокусирали върху TKTL1, тъй като е известно, че той се експресира в невронните прогениторни клетки, които лабораторията отдавна изучава.

"Тъй като не можем да разполагаме с неандерталски мозъци, начинът да го разгледаме беше да изследваме разликата в аминокиселинния състав между [двета мозъка]", разказва Хутнер.

Например лабораторията вече е установила, че хората и неандерталците имат точкова мутация в друг ген, наречен ARHGAP11B, който увеличава размера на неокортекса и нагъването на мозъка, когато е въведен в нечовекоподобни примати, което може да обясни защо хоминините имат по-големи мозъци от другите маймуни. В настоящото изследване Пинсън планира няколко експеримента, за да изследва както цялостната функция на TKTL1, така и ефектите от замяната на лизин с аргинин.

Започвайки с ембрионални мишки, екипът предизвиква свръхекспресия на двете форми на TKTL1, като анализира резултатите четири дни по-късно.

"Това е моментът, в който за пръв път видяхме изобилие от базални радиални глии - но не и в неандерталската версия", разказва Пинсън.

След това екипът провежда същия тест върху порове, чиито мозъци приличат повече на тези на приматите, тъй като имат гънки и "по начало имат повече базални радиални глии", добавя тя. Отново човешката версия на гена води до по-голямо увеличение на прогениторните клетки, което от своя страна води до засилена неврогенеза в сравнение с поровете, на които е дадена неандерталската версия, и контролите.

След това екипът експериментира върху човешка тъкан, като провежда експеримент за ex vivo върху фетална човешка неокортикална тъкан, използвайки CRISPR-Cas9, за да прекъсне експресията на TKTL1, преди да култивира тъканта в продължение на три дни. В редактираната тъкан се наблюдава намалено количество на прогениторните клетки, което допълнително изяснява ролята на човешкия ген в неврогенезата. Накрая екипът конструира човешки мозъчни органоиди, които да експресират или човешката, или неандерталската версия на гена, като се увери, че няма други разлики между тях.

"Това е прекрасен подход за много целенасочено разглеждане на един ген и една промяна", отбелязва неврологът от Университета в Кеймбридж Маделин Ланкастър (Madeline Lancaster), която не е работила по изследването.

Както и при животинските модели, органоидите, експресиращи човешкия ген, произвеждат повече базални радиални глии и повече неврони, което засилва тезата за причинно-следствената връзка между мутацията и повишената неврогенеза при хората. Данните обаче показват, че някои от измерените ефекти са били едва доловими, което според Ланкастър "съвпада с това, което бихме могли да очакваме", добавяйки, че "неандерталците всъщност са били много умни".... Фактът, че сме се кръстосвали с тях, означава, че те трябва да са имали някакво ниво на интелигентност, което всъщност е било сходно [с това на хората]".

Но все пак финият ефект си е ефект, подчертава Ланкастър. "Бях особено впечатлена от обема на работата, която е извършена, и от нейната задълбоченост. Този вид работа заслужава това внимание и старание. Мисля, че комбинацията от толкова много различни моделни системи наистина засилва аргументацията."

Как един ген прекроява мозъка?

Новото изследване показва, че TKTL1 участва по някакъв начин в метаболизма на мозъчните клетки, по-конкретно когато става въпрос за процеса на невронна пролиферация. Въпреки това точните метаболитни пътища, по които той действа, остават неясни. "Не знаем точно какво е низходящо или възходящо", отбелязва Пинсън.

Ланкастър предполага, че по-нататъшните изследвания на органоидите биха могли да помогнат за разкриването на тези механизми в бъдеще, тъй като това би позволило на изследователите да работят и с други гени или други фактори, които се различават между хората и неандерталците, като може би ще разкрият как поведението на едните влияе на другите.

Справка: “Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neanderthals” by 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 and Wieland B. Huttner, 9 Sepetember 2022, Science.DOI: 10.1126/science.abl6422

Източник:

Mutation Linked to Difference Between Human and Neanderthal Brains, Dan Robitzski, The Scientist

Key Differences Revealed Between Brains of Modern Humans and Neanderthals, Max Planck Institute

Още по темата

08/08/2022

Човекът

С промените в 3 протеина сме спечелили конкуренцията с неандерталците

08/04/2021

Човекът

Открити в България човешки останки на 45 000 години говорят за неизвестна миграция към Европа и чести връзки с неандерталците

10/12/2020

Животът

Костите на дете, погребано преди 40 000 години, разгадават мистерия за неандерталците

09/10/2020

Животът

Неандерталските бебета са набити като родителите си, черта идваща още от предците им