Pytanie, co sprawia, że współczesny człowiek jest wyjątkowy, od dawna jest siłą napędową badaczy. Porównania z naszymi najbliższymi krewnymi, neandertalczykami, dostarczają zatem fascynujących spostrzeżeń. Uważa się, że wzrost wielkości mózgu i produkcja neuronów podczas rozwoju mózgu są głównymi czynnikami zwiększającymi zdolności poznawcze, które wystąpiły podczas ewolucji człowieka. Jednakże, podczas gdy zarówno neandertalczycy, jak i współcześni ludzie rozwijają mózgi o podobnej wielkości, bardzo niewiele wiadomo na temat tego, czy mózgi współczesnego człowieka i neandertalczyka mogły różnić się pod względem produkcji neuronów podczas rozwoju.
Naukowcy z Instytutu Biologii Molekularnej i Genetyki Komórkowej im. Maxa Plancka (MPI-CBG) w Dreźnie wykazują teraz, że współczesny ludzki wariant białka TKTL1, który różni się tylko jednym aminokwasem od wariantu neandertalskiego, zwiększa jeden typ prekursora mózgu komórki, zwane podstawnym glejem promieniowym, we współczesnym ludzkim mózgu. Podstawne komórki gleju promieniowego wytwarzają większość neuronów w rozwijającej się korze nowej, części mózgu, która ma kluczowe znaczenie dla wielu zdolności poznawczych. Ponieważ aktywność TKTL1 jest szczególnie wysoka w płacie czołowym ludzkiego mózgu płodu, naukowcy doszli do wniosku, że ta pojedyncza, swoista dla człowieka substytucja aminokwasowa w TKTL1 leży u podstaw większej produkcji neuronów w rozwijającym się płacie czołowym kory nowej u współczesnych ludzi niż u neandertalczyków.
Tylko niewielka liczba białek ma różnice w sekwencji aminokwasów – elementów budulcowych białek – między współczesnymi ludźmi a naszymi wymarłymi krewnymi, neandertalczykami i denisowianami. Biologiczne znaczenie tych różnic dla rozwoju współczesnego ludzkiego mózgu jest w dużej mierze nieznane. W rzeczywistości zarówno współcześni ludzie, jak i neandertalczycy mają mózg, a zwłaszcza korę nową, o podobnej wielkości, ale czy ten podobny rozmiar kory nowej implikuje podobną liczbę neuronów, pozostaje niejasny. Najnowsze badanie grupy badawczej Wielanda Huttnera, jednego z dyrektorów założycieli Instytutu Biologii Molekularnej i Genetyki Komórkowej im. Maxa Plancka (MPI-CBG) w Dreźnie, przeprowadzone we współpracy z Svante Pääbo, dyrektorem Instytutu Maxa Plancka ds. Antropologia ewolucyjna w Lipsku oraz Pauline Wimberger ze Szpitala Uniwersyteckiego w Dreźnie i ich koledzy odpowiadają właśnie na to pytanie. Naukowcy skupiają się na jednym z tych białek, które wykazuje pojedynczą zmianę aminokwasową u zasadniczo wszystkich współczesnych ludzi w porównaniu z neandertalczykami, białko podobne do transketolazy 1 (TKTL1). W szczególności, u współczesnych ludzi TKTL1 zawiera argininę w danej pozycji sekwencji, podczas gdy u neandertalskiego TKTL1 jest to spokrewniony aminokwas lizyna. W ludzkiej korze nowej płodu TKTL1 znajduje się w komórkach progenitorowych kory nowej, czyli komórkach, z których pochodzą wszystkie neurony korowe. Warto zauważyć, że poziom TKTL1 jest najwyższy w komórkach progenitorowych płata czołowego.
Współczesny ludzki TKTL1, ale nie neandertalski TKTL1, prowadzi do większej liczby neuronów w korze nowej embrionu myszy
Anneline Pinson, główna autorka badania i badaczka w grupie Wielanda Huttnera, postanowiła zbadać znaczenie tej zmiany jednego aminokwasu dla rozwoju kory nowej. Anneline i jej współpracownicy wprowadzili współczesny ludzki lub neandertalski wariant TKTL1 do kory nowej zarodków myszy. Zaobserwowali, że podstawne radialne komórki glejowe, rodzaj progenitorów kory nowej, uważanych za siłę napędową większego mózgu, wzrosły wraz z nowoczesnym ludzkim wariantem TKTL1, ale nie z wariantem neandertalskim. W konsekwencji mózgi zarodków myszy z nowoczesnym ludzkim TKTL1 zawierały więcej neuronów.
Więcej neuronów w płacie czołowym współczesnego człowieka
Następnie naukowcy zbadali znaczenie tych skutków dla rozwoju ludzkiego mózgu. W tym celu zastąpili argininę we współczesnym ludzkim TKTL1 lizyną charakterystyczną dla neandertalskiego TKTL1, używając organoidów ludzkiego mózgu – miniaturowych struktur podobnych do narządów, które można wyhodować z ludzkich komórek macierzystych na naczyniach do hodowli komórkowych w laboratorium i które naśladują aspekty wczesnego rozwoju ludzkiego mózgu. „Odkryliśmy, że w przypadku aminokwasów typu neandertalskiego w TKTL1 wyprodukowano mniej podstawowych komórek glejowych promienistych niż w przypadku współczesnego typu ludzkiego, a w konsekwencji również mniej neuronów” – mówi Anneline Pinson. „To pokazuje nam, że chociaż nie wiemy, ile neuronów miał mózg neandertalczyka, możemy założyć, że współcześni ludzie mają więcej neuronów w płacie czołowym mózgu, gdzie aktywność TKTL1 jest najwyższa, niż neandertalczycy”. Naukowcy odkryli również, że współczesny ludzki TKTL1 działa poprzez zmiany w metabolizmie, w szczególności stymulację szlaku pentozofosforanowego, po którym następuje zwiększona synteza kwasów tłuszczowych. W ten sposób uważa się, że współczesny ludzki TKTL1 zwiększa syntezę niektórych lipidów błonowych potrzebnych do wygenerowania długiego procesu podstawnych komórek gleju radialnego, który stymuluje ich proliferację, a tym samym zwiększa produkcję neuronów.
„To badanie sugeruje, że produkcja neuronów w korze nowej podczas rozwoju płodowego jest większa u współczesnych ludzi niż u neandertalczyków, w szczególności w płacie czołowym” – podsumowuje Wieland Huttner, który nadzorował badanie. „Kuszę spekulować, że promowało to współczesne ludzkie zdolności poznawcze związane z płatem czołowym”.