Neanderthaler-mutatie verandert de hersenontwikkeling – Wissenschaft.de
Hoe verschilt ons brein van het brein van Neanderthalers? Om deze vraag te beantwoorden, bedachten de onderzoekers een nieuw modelsysteem: ze plaatsten een menselijk Neanderthaler-gen in menselijke stamcellen en gebruikten het om in het laboratorium kleine hersenen te laten groeien, bekend als hersenorganellen. Organismen die met de Neanderthaler-mutatie waren geïnfecteerd, evolueerden langzamer, hadden een andere vorm en reageerden anders op stimuli dan die welke alleen het genetisch materiaal van moderne mensen bevatten. Daarom kunnen kleine genetische veranderingen de evolutie van de hersenen van onze soort hebben aangestuurd.
Veel studies over de geschiedenis van de menselijke evolutie zijn gebaseerd op archeologische vondsten en fossielen. Dergelijke onderzoeken kunnen nauwelijks uitspraken doen over de ontwikkeling van de hersenen, omdat alleen de vorm van de schedel overblijft – de hersenen zelf verstarren niet. Sinds enkele jaren wordt in medisch onderzoek een techniek ontwikkeld waarbij nauwkeurige modellen van de hersenen worden gekloond uit menselijke stamcellen. Deze zogenaamde hersenorganoïden worden bijvoorbeeld gebruikt voor onderzoek naar neurodegeneratieve ziekten die zich moeilijk laten reproduceren in diermodellen.
Het Neanderthaler-gen in moderne stamcellen
Een team onder leiding van Clipper Trujillo van de University of California heeft deze organische benadering nu gebruikt om nieuwe inzichten te krijgen in de evolutie van de hersenen van onze uitgestorven voorouders. Om dit te doen, hebben onderzoekers eerst de genetische verschillen tussen moderne mensen en hun naaste familieleden, Neanderthalers en Denisovans, gecatalogiseerd. Daarbij identificeerden ze 61 gelijkaardige genen in Homo sapiens, Neanderthalers en Denisovans, maar vertoonden bepaalde afwijkingen als gevolg van mutaties.
Een van deze genen, NOVA1, staat bekend om zijn rol bij de ontwikkeling van de hersenen. Het beïnvloedt vele andere genetische producten die betrokken zijn bij de vorming en netwerkvorming van zenuwcellen. Een mutatie onderscheidt een moderne menselijke genetische variant van die gevonden in Neanderthalers en Denisovans. De onderzoekers schreven: “We veronderstellen dat deze genetische verandering een belangrijke gebeurtenis was in de evolutie van het moderne menselijke brein.” Om het effect van deze mutatie te zien, introduceerden ze de Neanderthaler-variant van NOVA1 in menselijke stamcellen met behulp van de Crispr / Cas9-genschaar. Uit deze genetisch gemodificeerde stamcellen groeiden ze hersenorganoïden die de kenmerken van een Neanderthaler brein nabootsten.
Een mutatie, veel effecten
Zelfs met het blote oog zagen de organismen in het Neanderthaler brein er anders uit dan de organismen die alleen het genetisch materiaal van de moderne mens bevatten: ze waren kleiner en hadden een complexer oppervlak. Nadere analyses lieten meer verschillen zien: oude hersenorganellen ontwikkelden zich langzamer en synapsen – de verbindingen tussen neuronen – waren minder effectief. Toen onderzoekers hersenweefsel stimuleerden met elektrische signalen, vertoonden Neanderthaler-organellen sterkere reacties in de vroege stadia, maar in tegenstelling tot moderne hersenorganellen, synchroniseerden ze niet om netwerken te vormen.
“Het is geweldig om te zien dat het veranderen van een enkel basenpaar in het menselijk DNA de manier waarop de hersenen zijn bedraad kan veranderen”, zegt Alison Motory, Trujillo’s collega. “We weten niet precies hoe en wanneer deze verandering plaatsvond in onze evolutionaire geschiedenis. Maar het lijkt wel belangrijk en kan helpen bij het verklaren van enkele van onze recente vaardigheden op het gebied van sociaal gedrag, taal, aanpassing, creativiteit en gebruik van technologie.”
In de toekomst willen onderzoekers hersenorganellen gebruiken om meer kennis op te doen over de ontwikkeling van onze hersenen. Deze studie richtte zich op slechts één gen dat verschilt tussen moderne mensen en onze uitgestorven familieleden. Vervolgens willen we kijken naar de andere 60 genen en kijken wat er gebeurt als een of een groep van twee of meer genen wordt gewijzigd “, zegt Motrie. De combinatie van stamcelbiologie, neurowetenschappen en oude genetica maakt het mogelijk om hypothesen ontwikkelen en testen Compleet nieuw over de hersenfunctie bij vroege mensen.
Quelle: Cleber Trujillo (University of California San Diego) et al., Science, Doi: 10.1126 / science.aax2537
“Analist. Schepper. Zombiefanaat. Fervente reisjunkie. Popcultuurexpert. Alcoholfan.”