Homo sapiens profiteerde van optimale celdeling

De moderne mens verschilde van Neanderthalers in ongeveer 100 aminozuren, maar de specifieke biologische gevolgen hiervan blijven onduidelijk. Onderzoekers hebben nu zes van deze menselijke mutaties ontdekt, de voordelen die ze onze soort bieden. Experimenten bij muizen en hersenorganoïden hebben aangetoond dat deze veranderingen bijdragen aan een nauwkeurigere rangschikking en verdeling van chromosomen tijdens celdeling. Hierdoor komen valse delingen minder vaak voor. Omdat eiwitten die deze variabele aminozuren bevatten constitutief actief zijn tijdens de embryonale ontwikkeling van onze hersenen, kan dit hebben bijgedragen aan de superieure hersenfunctie van Homo sapiens.

Neanderthalers en Denisovans waren onze naaste verwanten en leken in veel opzichten op Homo sapiens. Ook zij hebben al relatief grote hersenen, gebruiken gereedschap en hebben zich met succes verspreid over het grootste deel van Eurazië. Ze stierven echter, waardoor Homo sapiens de enige overgebleven menselijke soort was. maar waarom? Het is bekend dat deze vroege mensen genetisch van ons verschilden door veranderingen in de code voor ongeveer 100 aminozuren. De functies van de eiwitten die door deze veranderingen worden beïnvloed en de biologische verschillen die hierdoor voor Homo sapiens zijn ontstaan, zijn echter grotendeels onbekend.

Drie eiwitten in onderzoek

Een team onder leiding van Felipe Mora-Bermudes van het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica in Dresden onderzocht zes van deze veranderingen in nieuw verworven aminozuren door Homo sapiens. Deze aminozuren worden gevonden in drie eiwitten die vooral actief zijn in de zich ontwikkelende foetus in de neocortex, het evolutionair kleinste deel van onze hersenschors. “Deze drie eiwitten vallen op omdat ze aminozuurveranderingen dragen die alle moderne mensen gemeen hebben, maar niet voor mensapen, Neanderthalers of Denisovans”, legden de wetenschappers uit. “Dus elk functioneel resultaat van de aminozuuruitwisseling zal uniek zijn voor moderne mensen.” De garanties zijn onderverdeeld in dochtercellen. KNL1 maakt deel uit van het spoelapparaat en is nodig voor de associatie van microtubuli met kinetochoren in het chromosoomcentrum. SPAG5 is belangrijk bij het installeren van deze voorziening.

De vraag is echter of en hoe typisch mens-typische veranderingen in deze drie eiwitten hun functie beïnvloeden – en welke gevolgen dit heeft voor de hersenontwikkeling van Homo sapiens in tegenstelling tot zijn verwanten. Om dit te onderzoeken, veranderden Mora-Bermudez en collega’s de blauwdruk van deze drie eiwitten in de menselijke variant in muizenembryo’s met behulp van een Crispr/Cas9-genschaar. De onderzoekers observeerden vervolgens het delingsgedrag van cellen in de neocortex van de dieren. Hij ontdekte dat muizencellen met de menselijke variant van de eiwitten langer in de epifase van celdeling bleven – het stadium waarin chromosomen door het spoelapparaat in het midden van de cel worden uitgelijnd. Gemiddeld duurde de superfase 4,6 minuten bij normale muizen vergeleken met 5,8 minuten bij “gehumaniseerde” muizen. Aangezien muizen deze drie eiwitten delen met Neanderthalers en andere mensachtigen, suggereert dit dat dit een verschil was dat onze voorouders lieten zien met hun voorouders en verwanten.

Minder chromosomale fouten tijdens celdeling

Dit werd bevestigd door een ander experiment waarin wetenschappers hersenorganellen onderzochten die waren getransplanteerd uit menselijke neurale stamcellen. Toen ze de Neanderthaler-versie van de eiwitten in sommige van deze organellen verwerkten, waren er ook verschillen: hersencellen met een “archaïsche” vorm hadden een kortere anafase en chromosomen die minder vastzaten aan de spil. Bovendien waren er twee keer zoveel chromosomen in deze cellen, die aan het einde van deze mitotische fase nog steeds “uit de lijn dansten” en niet goed in het midden stonden, meldde het team. Deze late chromosomen zijn een veelvoorkomende bron van verkeerde toewijzing van deze genotypen aan dochtercellen. “Het hebben van het verkeerde aantal chromosomen is geen goed idee voor een cel, zoals je kunt zien bij trisomie 21 en kanker”, zegt Mora Bermudez.

De wetenschappers zeggen dat deze resultaten aangeven dat de aminozuurveranderingen die ze hebben bestudeerd onze voorouders een belangrijk voordeel hebben opgeleverd. Omdat ze ervoor konden zorgen dat er minder fouten in de celdeling waren – vooral tijdens de ontwikkeling van het menselijk brein. “Deze veranderingen verhoogden de resolutie van chromosoomsegregatie in de apicale voorlopercellen van de zich ontwikkelende neocortex”, schreven Mora Bermúdez en collega’s. “Dit had ernstige gevolgen kunnen hebben.” Omdat de meeste hersencellen in de neocortex afkomstig zijn van deze apicale cellen. Met andere woorden, de hersenfunctie bij Neanderthalers, Denisovans en andere vroege menselijke vormen kan meer worden beïnvloed door dergelijke chromosomale defecten. Aan de andere kant was dit verbeterd in Homo sapiens, en het zou zijn hersenfunctie hebben verbeterd. Meer studies zouden nu moeten uitwijzen welke functies er werkelijk bij betrokken zijn en hoeveel verbetering die door onze voorouders is opgedaan, hen beïnvloedt.

Bron: Felipe Mora-Bermudez (Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden) et al., Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abn7702

© wissenschaft.de – Nadia Podebrigar