جهش مرتبط با تفاوت بین مغز انسان و نئاندرتال

به گزارش سیناپرس، حتی اگر انسان‌های امروزی شباهت زیادی به نئاندرتال باستانی دارند، تفاوت‌های کلیدی بین ما وجود دارد که مهم‌ترین آنها، لوب‌های فرونتال پر از نورون‌ هستند. اکنون، محققان یک محرک ژنتیکی احتمالی را شناسایی کرده‌اند که منجر به افزایش تولید نورون در آن ناحیه مغز می‌شود، که با شناخت سطح بالاتر و همچنین کنترل تکانه و تنظیم هیجانی مرتبط است: جهشی که در نهایت متابولیسم را در سلول‌هایی که تبدیل به نورون می‌شوند، تغییر می‌دهد.

این تحقیق که 8 سپتامبر در Science منتشر شد، نشان می‌دهد که انسان مدرن و نسخه‌های باستانی نئاندرتال ژنی که پروتئین ترنسکتولاز مانند 1 (TKTL1) را کد می‌کند، تنها در یک جفت باز متفاوت است. این جهش نقطه ای در TKTL1 به این معنی است که نسخه نئاندرتالی این پروتئین دارای لیزین است که در نسخه انسان مدرن دارای آرژنین است. پس از انجام آزمایش‌هایی با بافت نئوکورتکس جنین انسان، مدل‌های موش و موش، و ارگانوئیدهای مغز انسان مهندسی شده، محققان به این نتیجه رسیدند که رفتار ژن جهش‌یافته ممکن است علت تشکیل مغز غنی از نورون انسان را توضیح دهد و می‌تواند به انسان‌ها اشاره کند که هوش بالاتری نسبت به نئاندرتال‌ها دارند.

کارول مارچتو، محقق تکامل عصبی در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، می‌گوید این مطالعه منحصر به فرد است و به‌ویژه به خوبی اجرا شده است. چیزی که بسیار شگفت انگیز است این است که این تنها یک جایگزینی اسید آمینه است که می تواند تغییرات زیادی ایجاد کند. به نظر من وقتی این اتفاق می افتد واقعاً جذاب است. ما حتی در مورد ناک اوت کردن یا از بین بردن ژن صحبت نمی کنیم.

آنچه آزمایش‌ها در مجموع نشان می‌دهند این است که صرفا جایگزینی لیزین به آرژنین در TKTL1 منجر به افزایش تولید گلیای شعاعی پایه سلول‌های پیش‌ساز عصبی می‌شود که در طول رشد جنینی، به طور نامتقارن تقسیم می‌شوند تا تعداد بیشتری از خود و همچنین بسیاری از سلول‌ها را تولید کنند. نورون های لوب فرونتال داشتن تعداد بیشتری از این گلیا به نوبه خود منجر به رشد نورون های بیشتری در این ناحیه می شود. در حالی که هیچ نئاندرتالی در دنیا وجود ندارد تا برای آزمایش‌های شناختی استخدام شود، کارشناسان می‌گویند که افزایش تعداد نورون‌ها در مغز انسان مدرن می‌تواند نشان دهد که زیرگونه‌های ما توانایی‌های شناختی بیشتری دارند، اگرچه هوش نسبی انسان‌ها و نئاندرتال‌ها در معرض بحث‌های اساسی است.

چگونه مغز نئاندرتال ها را مطالعه می کنید؟
آنلین پینسون، یکی از نویسندگان این مطالعه، متخصص علوم اعصاب در موسسه زیست شناسی سلولی مولکولی و ژنتیک ماکس پلانک در آلمان، توضیح می دهد که آنها بر داده های ژنومی موجود از نئاندرتال ها تکیه کرده اند. ویلند هاتنر، که پینسون در آزمایشگاه او کار می کند، توضیح می دهد که آنها بر روی TKTL1 تمرکز کرده اند زیرا مشخص است که در سلول های پیش ساز عصبی بیان می شود، که آزمایشگاه سابقه مطالعه آنها را دارد.

هاتنر می‌گوید: از آنجایی که ما نمی‌توانیم مغز نئاندرتال‌ها را در اختیار داشته باشیم، روش بررسی آن، مطالعه تفاوت بین ترکیب اسیدهای آمینه بین این دو مورد بود.

به عنوان مثال، این آزمایشگاه قبلاً دریافته بود که انسان‌ها و نئاندرتال‌ها یک جهش نقطه‌ای در ژن دیگری به نام ARHGAP11B دارند که هم اندازه نئوکورتکس و هم چین‌خوردگی مغز را هنگام معرفی به نخستی‌های غیرانسان افزایش می‌دهد و به طور بالقوه توضیح می‌دهد که چرا هومینین‌ها مغز بزرگ‌تری نسبت به سایر میمون‌ها دارند. در مطالعه حاضر، پینسون چندین آزمایش را برای بررسی عملکرد کلی TKTL1 و همچنین اثرات جایگزینی لیزین به آرژنین طراحی کرد.

این تیم با شروع با موش های جنینی، بیان بیش از حد هر دو شکل TKTL1 را القا کردند و نتایج را چهار روز بعد تجزیه و تحلیل کردند. پینسون می‌گوید: این جایی است که ما برای اولین بار شاهد فراوانی گلیای شعاعی پایه‌ای بودیم، اما نه در نسخه نئاندرتال‌ها. او می افزاید، سپس این تیم آزمایش مشابهی را روی فرت ها انجام داد، مغز آنها بیشتر شبیه مغز پستانداران است زیرا چین خوردگی دارند و برای شروع گلیای شعاعی پایه بیشتری دارند. یک بار دیگر، نسخه انسانی ژن افزایش بیشتری در سلول‌های پیش‌ساز ایجاد کرد که به نوبه خود منجر به افزایش نوروژنز در مقایسه با فرت‌هایی شد که نسخه نئاندرتال و گروه‌های کنترل داشتند.

سپس این تیم بر روی بافت انسانی آزمایش کردند و یک آزمایش حذفی بر روی بافت نئوکورتیکال انسان جنین انجام دادند و از CRISPR-Cas9 برای مختل کردن بیان TKTL1 قبل از کشت بافت به مدت سه روز استفاده کردند. بافت ویرایش شده با ژن تعداد سلول های پیش ساز کاهش یافته بود که نقش ژن انسانی در نوروژنز را بیشتر روشن کرد. در نهایت، این تیم ارگانوئیدهای مغز انسان را برای بیان نسخه انسانی یا نئاندرتالی این ژن مهندسی کردند و مطمئن شدند که هیچ تفاوت دیگری بین این دو وجود ندارد.

مادلین لنکستر، عصب شناس دانشگاه کمبریج، می گوید: نگریستن به یک ژن واحد و یک تغییر به شیوه ای بسیار هدفمند، رویکرد زیبایی است.
همانند مدل‌های حیوانی، ارگانوئیدهایی که ژن انسانی را بیان می‌کنند، گلیای شعاعی پایه‌ای و نورون‌های بیشتری تولید می‌کنند که رابطه بین جهش و افزایش نوروژنز را در انسان تقویت می‌کند. با این حال، داده‌ها نشان می‌دهند که برخی از اثرات اندازه‌گیری‌شده ظریف بوده‌اند، که لنکستر می‌گوید با آنچه ممکن است انتظار داشته باشیم مطابقت دارد و اضافه می‌کند که نئاندرتال‌ها در واقع بسیار باهوش بودند. این واقعیت که ما با آنها آمیخته شدیم به این معنی است که آنها باید سطحی از هوش داشته باشند که در واقع مشابه انسان ها باشد.

لنکستر می گوید، اما یک اثر ظریف یک اثر است. من به ویژه از میزان کاری که برای این کار انجام شد و دقیق بودن آن تحت تأثیر قرار گرفتم. این نوع کار مستلزم این مراقبت و کوشش است. من فکر می کنم که ترکیب بسیاری از سیستم های مدل مختلف واقعاً استدلال را تقویت می کند.
مارچتو می‌گوید: بی‌تردید آزمایش‌ها برای من قانع‌کننده است که این جهش اسید آمینه واحد قطعاً عملکرد سلول را تغییر می‌دهد. من فکر می کنم فرضیه جالبی است که باید در نظر بگیریم و می توانست در تغییرات اندازه مغز نقش داشته باشد.
چگونه یک ژن مغز را بازسازی می کند؟

مطالعه جدید نشان می‌دهد که TKTL1 به نوعی در متابولیسم سلول‌های مغزی نقش دارد، به‌ویژه زمانی که نوبت به فرآیند تکثیر عصبی می‌رسد. با این حال، مسیرهای متابولیکی دقیقی که توسط آن عمل می کند نامشخص است. پینسون می‌گوید: ما دقیقاً نمی‌دانیم چه چیزی پایین یا بالادست است.
لنکستر پیشنهاد می‌کند که تحقیقات بیشتر ارگانوئیدی می‌تواند به آشکار کردن این مکانیسم‌ها در آینده کمک کند، زیرا انجام این کار به محققان این امکان را می‌دهد تا با ژن‌ها یا سایر عواملی که بین انسان و نئاندرتال متفاوت است نیز دستکاری کنند و شاید نشان دهند که چگونه رفتار یکی بر دیگری تأثیر می‌گذارد.

مارچتو می گوید مهندسی بافت یا یک ارگانوئید با تمام تغییرات شناخته شده بین ژنوم انسان و نئاندرتال که منجر به نزدیک ترین تقریب ممکن به یک نورون باستانی می شود، جالب خواهد بود. او می افزاید که تحلیل های تک سلولی که فعالیت میتوکندری یا خروجی بیوالکتریک یک انسان در مقابل یک نورون باستانی را بررسی می کند ممکن است برخی از این جزئیات مکانیکی را نیز آشکار کند.
مارکتو می‌گوید: مطالعه اثر ترکیبی آن جهش‌ها جالب است. اما، او که نمی‌خواهد از یافته‌های جدید کم کند، و در عوض به آن ها اضافه می‌کند که من فکر می‌کنم مطالعه ژن‌های منفرد بسیار مرتبط است. آنها کار بزرگی با آن انجام دادند. قطعا این یک یافته مهم در این زمینه است.

منبع: the-scientist.com
مترجم: سید سپهر ارومیهء