Forschende am Zentrum für Regenerative Therapien Dresden und an der Technischen Universität Dresden haben fast 600 regulatorische DNA-Sequenzen identifiziert, die in menschlichen neuralen Stammzellen aktiver sind als in vergleichbaren Zellen von Schimpansen und Gorillas. Die Ergebnisse liefern eine Erklärung dafür, wie der menschliche Neokortex trotz der großen Ähnlichkeit zwischen den codierenden Genomen der Menschenaffen eine größere Anzahl von Neuronen hervorbringt.
Das Team kultivierte dreidimensionale zerebrale Organoide aus induzierten pluripotenten Stammzellen, die von Menschen, Schimpansen und Gorillas gewonnen worden waren. Diese Modelle ermöglichten es den Forschenden, die frühe neurale Entwicklung zu untersuchen – eine Phase, die anhand von geschütztem embryonalem Gehirngewebe großer Menschenaffen nicht direkt untersucht werden kann.
Die Studie konzentrierte sich auf basale radiale Gliazellen, neurale Vorläuferzellen, die zur Entwicklung des Neokortex beitragen. Statt zahlreiche einzigartige Protein-codierende Gene zu finden, beobachteten die Forschenden Unterschiede in der Aktivität gemeinsamer Gene. Die identifizierten DNA-Sequenzen fungieren als Enhancer und regulieren, wie stark Gene in menschlichen neuralen Stammzellen exprimiert werden.
Viele der betroffenen Gene sind am Zytoskelett und an der Zellstruktur beteiligt. Ihre erhöhte Aktivität fördert lange, verzweigte Fortsätze in neuralen Stammzellen. Diese Fortsätze könnten es den Vorläuferzellen ermöglichen, mehr Signale aus ihrer umgebenden Zellumgebung zu empfangen, wodurch sie ihre Teilungsfähigkeit aufrechterhalten und eine vorzeitige Differenzierung verzögern können.
Die Forschenden überprüften diesen Mechanismus, indem sie die Aktivität von zwei durch Schalter regulierten Genen, FAM107A und CNGA3, in menschlichen zerebralen Organoiden verringerten. Die neuralen Stammzellen wurden weniger verzweigt und zeigten eine geringere Proliferation, wodurch letztlich weniger Neuronen entstanden. Die Ergebnisse verknüpfen die Morphologie der Zellen mit ihrer Fähigkeit, die Neurogenese aufrechtzuerhalten.
Die Studie stützt die Annahme, dass die Evolution des menschlichen Gehirns Veränderungen der Genregulation umfasste und nicht die vollständige Erfindung neuer Gene. Dieser Sichtweise zufolge nutzen Menschen und andere Menschenaffen weitgehend dieselbe biologische Maschinerie, doch regulatorische Elemente passen diese Maschinerie während der Entwicklung unterschiedlich an.
Die Forschung wurde in Nature Communications unter dem Titel „Human-specific morphoregulatory signatures in basal radial glia characterise neocortex evolution“ veröffentlicht.
Quellen: Neuroscience News.