Entdecken Sie die einzigartigen Gene hinter unserem großen Gehirn
Eine Gruppe von Genen, die nur beim Menschen vorkommt und bei unseren Vorfahren vor 3 bis 4 Millionen Jahren entstanden ist, hat möglicherweise die Entwicklung unseres größeren Gehirns vorangetrieben.
Diese Offenbarung - und die Arbeit, die dazu geführt hat - ist Gegenstand von zwei Studien, über die jetzt in der Zeitschrift berichtet wird Zelle.
Eine Studie wurde von der University of California (UC) in Santa Cruz und die andere von der Université Libre de Bruxelles in Belgien geleitet.
Die Ergebnisse schließen eine Wissenslücke über die Veränderungen, die die Entwicklung unseres größeren Gehirns vorangetrieben haben, und gaben uns die Möglichkeit, Probleme zu denken und zu lösen.
Die Gene - NOTCH2NL genannt - gehören zu einer sehr alten Familie namens Notch, die erstmals bei Fruchtfliegen identifiziert wurde. Sie erhielten ihren Namen, weil sie mit genetischen Fehlern in Verbindung gebracht wurden, die dazu führten, dass die Fliegen Flügel eingekerbt hatten.
Wie NOTCH2NL die Neuronenzahlen erhöht
Notch-Gene reichen „Hunderte von Millionen von Jahren“ zurück und „spielen eine wichtige Rolle bei der Embryonalentwicklung“, sagt David Haussler, Professor für Biomolekulartechnik an der UC Santa Cruz und Co-Senior-Autor des ersten Studienpapiers.
"Es ist äußerst aufregend herauszufinden", fährt er fort, "dass Menschen ein neues Mitglied dieser Familie haben, das an der Entwicklung des Gehirns beteiligt ist."
Die Forscher fanden heraus, dass die NOTCH2NL-Gene nur für den Menschen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des menschlichen Kortex zu spielen scheinen, dem Sitz fortgeschrittener kognitiver Fähigkeiten wie Argumentation und Sprache.
Die Gene werden in den neuralen Stammzellen des Cortex stark exprimiert und verzögern ihre Reifung zu bestimmten Zelltypen.
Diese Verzögerung führt zur Akkumulation eines größeren Pools von Stammzellen, was wiederum dazu führt, dass im Verlauf der Gehirnentwicklung mehr Neuronen produziert werden.
Gene verstärken die Signalübertragung während der Entwicklung
NOTCH2NL-Gene befinden sich in einem Bereich des menschlichen Genoms - dem „langen Arm von Chromosom 1“ -, der mit verschiedenen neurologischen Entwicklungsstörungen wie Autismus, Mikrozephalie, Makrozephalie und Schizophrenie in Verbindung gebracht wurde.
Einige der Störungen sind mit der Verdoppelung großer DNA-Abschnitte verbunden, andere mit Deletionen. Sie sind unter dem Sammelnamen "1q21.1 Deletions- / Duplikationssyndrom" bekannt.
Die von der Notch-Genfamilie codierten Proteine befassen sich mit der Signalübertragung innerhalb von Zellen und auch zwischen Zellen.
Viele dieser Signale lenken das Schicksal von Stammzellen - zum Beispiel, ob sie in Gehirnzellen oder Herzzellen differenzieren sollen - in vielen Teilen des Körpers.
Die Forscher fanden heraus, dass die NOTCH2NL-Gene Proteine codieren, die die Notch-Signalübertragung „verbessern“.
"Notch Signaling", erklärt Co-Senior-Studienautorin Dr. Sofie R. Salama, Forscherin für Biomolekulartechnik an der UC Santa Cruz, "war bereits als wichtig für die Entwicklung des Nervensystems bekannt."
"NOTCH2NL scheint die Notch-Signalübertragung zu verstärken, was zu einer erhöhten Proliferation neuronaler Stammzellen und einer verzögerten neuralen Reifung führt", fügt sie hinzu.
‘DNA-Kopierfehler’
Dr. Salama weist jedoch darauf hin, dass die Gene nur Teil eines viel größeren Prozesses sind, der die Entwicklung des menschlichen Kortex steuert: Sie wirken nicht „im luftleeren Raum“.
Sie kamen zu einer "provokativen Zeit in der menschlichen Evolution" ins Spiel. Sie und ihre Kollegen fanden es auch interessant, dass die Gene mit Entwicklungsstörungen verbunden sind.
Es scheint, dass die „DNA-Kopierfehler“, die bei unseren Vorfahren aufgetreten sind und die NOTCH2NL-Gene verursacht haben, von einem ähnlichen Typ sind wie diejenigen, die zu neurologischen Störungen beim 1q21.1-Deletions- / Duplikationssyndrom führen.
Typischerweise treten die Fehler an Stellen auf Chromosomen auf, die lange DNA-Sequenzen aufweisen, die „fast identisch“ sind.
„Diese langen DNA-Segmente, die nahezu identisch sind, können die Replikationsmaschinerie verwirren und Instabilität im Genom verursachen“, erklärt Prof. Haussler.
Paradoxerweise scheint es, dass der Gen-Duplikationsprozess in der Chromosom-1-Region, der uns unser größeres Gehirn gegeben hat, auch dafür verantwortlich ist, dass wir für das 1q21.1-Deletions- / Duplikations-Syndrom anfällig sind.
Mithilfe von Sequenzierungswerkzeugen fanden die Forscher beim heutigen Menschen acht Versionen von NOTCH2NL und vermuten, dass es noch mehr zu entdecken gibt.
Jede NOTCH2NL-Version variiert geringfügig in der Sequenzierung ihrer DNA, aber inwieweit dies noch ein Rätsel ist.
Die Gene zeigten subtile Unterschiede, wenn sie in im Labor gezüchteten Zellen getestet wurden. Es gibt jedoch noch viel zu tun, um herauszufinden, was diese Unterschiede bedeuten, sagt Dr. Salama.
"Wir haben festgestellt, dass alle die Notch-Signalisierung fördern können."
Dr. Sofie R. Salama
