Что делает современного человека уникальным? Таким образом, сравнения с нашими ближайшими родственниками, неандертальцами, дают интересные идеи. Считается, что одним из основных объяснений эволюции человеческого познания является увеличение размера мозга и количества нейронов на протяжении всего развития мозга.
Мозг неандертальца был похож по размеру на мозг современного человека, но отличался по форме. Чего мы не можем сказать по окаменелостям, так это того, как мозг неандертальца мог отличаться по функциям или организации слоев мозга, таких как неокортекс.
Ученые из Институт Макса Планка молекулярно-клеточной биологии и генетики (MPI-CBG) в Дрездене проанализировали влияние единственной аминокислотной замены в транскетолазоподобном белке 1 (TKTL1) на продукцию базальной радиальной глии, рабочих лошадок, которые генерируют большую часть неокортекса. . Они обнаружили, что современный человеческий вариант белка TKTL1, который отличается от неандертальского варианта только одной аминокислотой, увеличивает один тип клеток-предшественников головного мозга, называемых базальной радиальной глией, в современном мозге. человеческий мозг.
Основная часть нейронов в растущей неокортексе, области мозга, важной для многих когнитивных функций, продуцируется базальными радиальными глиальными клетками. Ученые пришли к выводу, что эта единственная специфичная для человека аминокислотная замена в TKTL1 лежит в основе более высокой продукции нейронов в развивающейся лобной доле неокортекса у современных людей, чем у неандертальцев, потому что активность TKTL1 особенно высока в лобной доле головного мозга плода человека.
Последнее исследование исследовательской группы Виланда Хаттнера, одного из директоров-основателей Института молекулярно-клеточной биологии и генетики им. Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене, было проведено в сотрудничестве со Сванте Паабо, директором Института Макса Планка. по эволюционной антропологии в Лейпциге, а также Полин Вимбергер из университетской больницы Дрездена и их коллеги.
Ученые в основном сосредоточились на: белке, подобном транскетолазе 1 (TKTL1). У современных людей TKTL1 содержит аргинин в рассматриваемом положении последовательности, тогда как TKTL1 неандертальца содержит родственную аминокислоту лизин. В неокортексе эмбриона человека TKTL1 обнаружен в клетках-предшественниках неокортекса, клетках, из которых происходят все нейроны коры. Примечательно, что уровень TKTL1 самый высокий в клетках-предшественниках лобной доли.
Ученые исследовали значение этой замены одной аминокислоты для развития неокортекса. Они 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. Следовательно, мозг эмбрионов мышей с TKTL1 современного человека содержал больше нейронов.
Затем исследователи рассмотрели, насколько значительными были эти эффекты для рост человеческого мозга. Для этого они использовали органоиды головного мозга человека— миниатюрные органоподобные структуры, которые можно выращивать из стволовых клеток человека в чашках для культивирования клеток в лаборатории и которые имитируют аспекты раннего развития человеческого мозга — для замены аргинина в TKTL1 современного человека на лизин, характерный для TKTL1 неандертальца.
Аннелин Пинсон сказала: «Мы обнаружили, что с аминокислотой неандертальского типа в TKTL1 производилось меньше базальных радиальных глиальных клеток, 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 выше, чем у неандертальцев».
Ученые также обнаружили, что современный человеческий TKTL1 действует через изменения метаболизма, в частности, стимулируя пентозофосфатный путь, за которым следует повышенный синтез жирных кислот. Таким образом, считается, что современный TKTL1 человека увеличивает синтез специфических мембранных липидов, необходимых для образования длинного отростка базальных радиальных глиальных клеток, который стимулирует их пролиферацию и, следовательно, увеличивает продукцию нейронов.
Виланд Хаттнер, руководивший исследованием, сказал: «Это исследование подразумевает, что производство нейронов в неокортексе во время развития плода у современных людей выше, чем у неандертальцев, особенно в лобной доле. Заманчиво предположить, что это способствовало развитию когнитивных способностей современного человека, связанных с лобной долей».
Справочник журнала:
- Аннелин Пинсон, Лэй Син, Такаши Намба, Нерео Калебич, Джула Питерс и др. Человеческий TKTL1 подразумевает больший нейрогенез в лобной неокортексе современных людей, чем у неандертальцев». Наука. 09 сентября 2022 г. DOI: 10.1126/наука.abl6422
