Was macht den modernen Menschen einzigartig? Vergleiche mit unseren nächsten Verwandten, den Neandertalern, geben daher faszinierende Einblicke. Es wird angenommen, dass eine der Haupterklärungen für die Evolution der menschlichen Kognition die Zunahme der Gehirngröße und der Neuronenproduktion während der gesamten Gehirnentwicklung war.
Neandertaler-Gehirne waren ähnlich groß wie moderne Menschen, unterschieden sich jedoch in der Form. Was wir anhand von Fossilien nicht sagen können, ist, wie sich die Gehirne der Neandertaler in der Funktion oder Organisation von Gehirnschichten wie dem Neocortex unterschieden haben könnten.
Wissenschaftler aus Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden haben nun die Wirkung einer einzelnen Aminosäureänderung im Transketolase-like-1 (TKTL1)-Protein auf die Produktion von basaler radialer Glia, den Arbeitspferden, die einen Großteil des Neokortex bilden, analysiert . Sie fanden heraus, dass die moderne menschliche Variante des Proteins TKTL1, die sich nur durch eine einzige Aminosäure von der Neandertaler-Variante unterscheidet, in der Moderne eine Art von Vorläuferzellen des Gehirns, sogenannte basale radiale Glia, vermehrt menschliches Gehirn.
Der Großteil der Neuronen im wachsenden Neocortex, einem Bereich des Gehirns, der für viele kognitive Funktionen unerlässlich ist, wird von basalen radialen Gliazellen produziert. Wissenschaftler schlussfolgern, dass diese einzelne humanspezifische Aminosäuresubstitution in TKTL1 einer höheren Neuronenproduktion im sich entwickelnden Frontallappen des Neokortex bei modernen Menschen zugrunde liegt als bei Neandertalern, da die TKTL1-Aktivität im Frontallappen des fötalen menschlichen Gehirns besonders hoch ist.
Die neueste Studie der Forschungsgruppe von Wieland Huttner, einem der Gründungsdirektoren des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden, wurde in Zusammenarbeit mit Svante Pääbo, Direktor am Max-Planck-Institut, durchgeführt für Evolutionäre Anthropologie in Leipzig und Pauline Wimberger vom Universitätsklinikum Dresden und ihre Kollegen.
Die Wissenschaftler konzentrierten sich hauptsächlich auf: das Protein Transketolase-like 1 (TKTL1). Beim modernen Menschen enthält TKTL1 an der betreffenden Sequenzposition ein Arginin, während Neandertaler TKTL1 die verwandte Aminosäure Lysin enthält. Im fötalen menschlichen Neokortex findet sich TKTL1 in neokortikalen Vorläuferzellen, den Zellen, von denen alle kortikalen Neuronen abstammen. Bemerkenswerterweise ist der TKTL1-Spiegel in den Vorläuferzellen des Frontallappens am höchsten.
Wissenschaftler untersuchten die Bedeutung dieser einen Aminosäureänderung für die Entwicklung des Neokortex. Sie führten entweder die moderne menschliche oder die Neandertaler-Variante von TKTL1 in den Neocortex von Mausembryos ein.
Sie beobachteten, dass basale radiale Gliazellen, die Art von neokortikalen Vorläufern, von denen angenommen wird, dass sie die treibende Kraft für ein größeres Gehirn sind, bei der modernen menschlichen Variante von TKTL1 zunahmen, aber nicht bei der Neandertaler-Variante. Folglich enthielten die Gehirne von Mausembryos mit dem modernen menschlichen TKTL1 mehr Neuronen.
Als nächstes untersuchten die Forscher, wie signifikant diese Effekte für die waren Wachstum des menschlichen Gehirns. Um dies zu erreichen, verwendeten sie Organoide des menschlichen Gehirns– organähnliche Miniaturstrukturen, die aus menschlichen Stammzellen in Zellkulturschalen im Labor gezüchtet werden können und Aspekte der frühen menschlichen Gehirnentwicklung nachahmen –, um das Arginin in modernem menschlichem TKTL1 gegen das für Neandertaler-TKTL1 charakteristische Lysin auszutauschen.
Anneline Pinson sagte: „Wir haben festgestellt, dass beim Neandertaler-Aminosäuretyp in TKTL1 weniger basale radiale Gliazellen produziert werden als beim modernen Menschentyp und folglich auch weniger Neuronen. Das zeigt uns, dass wir, obwohl wir nicht wissen, wie viele Neuronen das Neandertaler-Gehirn hatte, davon ausgehen können, dass moderne Menschen mehr Neuronen im Frontallappen des Gehirns haben, wo die TKTL1-Aktivität am höchsten ist als bei Neandertalern.“
Wissenschaftler fanden auch heraus, dass modernes menschliches TKTL1 durch Stoffwechselveränderungen wirkt und insbesondere den Pentosephosphatweg stimuliert, gefolgt von einer erhöhten Fettsäuresynthese. Auf diese Weise wird angenommen, dass modernes menschliches TKTL1 die Synthese spezifischer Membranlipide erhöht, die benötigt werden, um den langen Prozess der basalen radialen Gliazellen zu erzeugen, der ihre Proliferation stimuliert und somit die Neuronenproduktion erhöht.
Wieland Huttner, der die Studie betreute, sagte: „Diese Studie impliziert, dass die Produktion von Neuronen im Neocortex während der fötalen Entwicklung beim modernen Menschen größer ist als beim Neandertaler, insbesondere im Frontallappen. Es ist verlockend zu spekulieren, dass dies die mit dem Frontallappen verbundenen modernen menschlichen kognitiven Fähigkeiten förderte.“
Journal Referenz:
- Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, et al. Menschliches TKTL1 impliziert eine größere Neurogenese im frontalen Neokortex moderner Menschen als bei Neandertalern“, Wissenschaft. 09. September 2022 DOI: 10.1126/science.abl6422
