Wat maakt de moderne mens uniek? Vergelijkingen met onze naaste verwanten, de Neanderthalers, geven daarom fascinerende inzichten. Aangenomen wordt dat een van de belangrijkste verklaringen voor de evolutie van de menselijke cognitie de toename van de hersenomvang en de neuronenproductie tijdens de hersenontwikkeling is geweest.
Neanderthalerhersenen waren qua grootte vergelijkbaar met moderne mensen, maar verschilden qua vorm. Wat we uit fossielen niet kunnen opmaken, is hoe de hersenen van Neanderthalers zouden kunnen verschillen in de functie of organisatie van hersenlagen, zoals de neocortex.
Wetenschappers uit Max Planck Institute van Moleculaire Celbiologie en Genetica (MPI-CBG) in Dresden hebben nu het effect geanalyseerd van een enkele aminozuurverandering in het transketolase-achtige 1 (TKTL1) eiwit op de productie van basale radiale glia, de werkpaarden die een groot deel van de neocortex genereren . Ze ontdekten dat de moderne menselijke variant van het eiwit TKTL1, dat slechts één enkel aminozuur verschilt van de Neanderthaler-variant, één type hersenvoorlopercellen verhoogt, genaamd basale radiale glia, in de moderne tijd. menselijk brein.
Het grootste deel van de neuronen in de groeiende neocortex, een gebied van de hersenen dat essentieel is voor veel cognitieve functies, wordt geproduceerd door basale radiale gliacellen. Wetenschappers concluderen dat deze enkele mensspecifieke aminozuursubstitutie in TKTL1 ten grondslag ligt aan een hogere neuronenproductie in de zich ontwikkelende frontale kwab van de neocortex bij moderne mensen dan bij Neanderthalers, omdat de TKTL1-activiteit bijzonder hoog is in de frontale kwab van de menselijke hersenen van de foetus.
Het nieuwste onderzoek van de onderzoeksgroep van Wieland Huttner, een van de oprichters van het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica (MPI-CBG) in Dresden, werd uitgevoerd in samenwerking met Svante Pääbo, directeur van het Max Planck Instituut. voor Evolutionaire Antropologie in Leipzig, en Pauline Wimberger van het Universitair Ziekenhuis Dresden en hun collega's.
Wetenschappers richtten zich vooral op: het eiwit transketolase-like 1 (TKTL1). Bij moderne mensen bevat TKTL1 een arginine op de betreffende sequentiepositie, terwijl Neanderthaler TKTL1 het verwante aminozuur lysine bevat. In de foetale menselijke neocortex wordt TKTL1 aangetroffen in neocorticale voorlopercellen, de cellen waaruit alle corticale neuronen voortkomen. Met name is het niveau van TKTL1 het hoogst in de voorlopercellen van de frontale kwab.
Wetenschappers onderzochten de betekenis van deze ene aminozuurverandering voor de ontwikkeling van de neocortex. Ze introduceerden de moderne menselijke of de Neanderthaler variant van TKTL1 in de neocortex van muizenembryo's.
Ze merkten op dat basale radiale gliacellen, het type neocorticale voorlopercellen waarvan men denkt dat ze de drijvende kracht zijn achter grotere hersenen, toenamen met de moderne menselijke variant van TKTL1, maar niet met de Neanderthaler-variant. Bijgevolg bevatten de hersenen van muizenembryo's met het moderne menselijke TKTL1 meer neuronen.
De onderzoekers keken vervolgens hoe significant deze effecten waren voor de groei van het menselijk brein. Om dit te bereiken gebruikten ze menselijke hersenorganoïden– miniatuur orgaanachtige structuren die kunnen worden gekweekt uit menselijke stamcellen in celkweekschalen in het laboratorium en die aspecten van de vroege ontwikkeling van het menselijk brein nabootsen – om de arginine in moderne menselijke TKTL1 te vervangen door de lysine die kenmerkend is voor Neanderthaler TKTL1.
Anneline Pinson zei: “We ontdekten dat met het aminozuur van het Neanderthaler-type in TKTL1 minder basale radiale gliacellen werden geproduceerd dan met het moderne menselijke type, en als gevolg daarvan ook minder neuronen. Dit laat ons zien dat, ook al weten we niet hoeveel neuronen de hersenen van de Neanderthalers hadden, we kunnen aannemen dat moderne mensen meer neuronen in de frontale kwab van de hersenen hebben, waar de TKTL1-activiteit het hoogst is dan bij Neanderthalers.”
Wetenschappers ontdekten ook dat modern menselijk TKTL1 werkt door veranderingen in het metabolisme, waarbij specifiek de pentosefosfaatroute wordt gestimuleerd, gevolgd door een verhoogde vetzuursynthese. Op deze manier wordt aangenomen dat het moderne menselijke TKTL1 de synthese van specifieke membraanlipiden verhoogt die nodig zijn om het lange proces van basale radiale gliacellen te genereren dat hun proliferatie stimuleert en daardoor de productie van neuronen verhoogt.
Wieland Huttner, die toezicht hield op het onderzoek, zei: “Deze studie impliceert dat de productie van neuronen in de neocortex tijdens de ontwikkeling van de foetus groter is bij moderne mensen dan bij Neanderthalers, vooral in de frontale kwab. Het is verleidelijk om te speculeren dat dit de moderne menselijke cognitieve vermogens geassocieerd met de frontale kwab bevorderde.”
Journal Reference:
- Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, et al. Menselijke TKTL1 impliceert een grotere neurogenese in de frontale neocortex van moderne mensen dan Neanderthalers”, Wetenschap. 09. September 2022 DOI: 10.1126/wetenschap.abl6422
