Στα ίχνη της εξέλιξης: Ερευνητές βρήκαν το γονίδιο-«κλειδί» για το μέγεθος του ανθρώπινου εγκεφάλου

Το 99% περίπου των ανθρώπινων γονιδίων μοιράζεται με τους χιμπατζήδες. Μόνο ένα μικρό μέρος μένει να μας διαφοροποιεί. Ωστόσο, έχουμε μια σημαντική διαφορά: Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι τρεις φορές μεγαλύτερος από τον εγκέφαλο των χιμπατζήδων. Το γονιδίωμά μας, κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, πρέπει να άλλαξε προκειμένου να πυροδοτήσει μια τέτοια ανάπτυξη του εγκεφάλου. Ο Wieland Huttner, διευθυντής και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο Ινστιτούτο Max Planck για τη μοριακή κυτταρική βιολογία και γενετική (MPI-CBG) και η ομάδα του ταυτοποίησε, για πρώτη φορά, ένα γονίδιο που υπάρχει μόνο στους ανθρώπους και συνεισφέρει στην αναπαραγωγή βασικών εγκεφαλικών βλαστοκυττάρων, προκαλώντας αναδίπλωση του νεοφλοιού.

Οι ερευνητές απομόνωσαν διάφορους υποπληθυσμούς ανθρώπινων εγκεφαλικών βλαστοκυττάρων και αναγνώρισαν επακριβώς ποια γονίδια είναι ενεργά και σε ποιο κυτταρικό τύπο. Με αυτό τον τρόπο παρατήρησαν ότι το γονίδιο ARHGAP11B, βρίσκεται μόνο στους ανθρώπους και στους πλησιέστερους συγγενείς μας, στους Νεάντερνταλ και στην ανθρωπίνα Ντενίσοβα, αλλά όχι στους χιμπαντζήδες. Αυτό το γονίδιο καταφέρνει να πυροδοτεί τα εγκεφαλικά βλαστοκύτταρα για να σχηματιστεί μια μεγαλύτερη δεξαμενή βλαστοκυττάρων. Με αυτό τον τρόπο, κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του εγκεφάλου, μπορούν να προκύψουν περισσότεροι νευρώνες και ο εγκέφαλος μπορεί να επεκταθεί. Ο εγκέφαλος είναι υπεύθυνος για τις γνωστικές λειτουργίες, όπως η ομιλία και η σκέψη.

Οι ερευνητές του Wieland Huttner ανέπτυξαν μια μέθοδο η οποία απομονώνει και αναγνωρίζει ειδικούς υποπληθυσμούς εγκεφαλικών βλαστοκκυτάρων από ένα αναπτυσσόμενο ανθρώπινο εγκέφαλο. Κανείς, μέχρι τώρα, δεν το είχε καταφέρει αυτό. Οι επιστήμονες πρώτα απομόνωσαν τους διαφορετικούς τύπους βλαστικών και προγονικών κυττάρων από εμβρυικό εγκεφαλικό ιστό ποντικού και ανθρώπου. Εν αντιθέσει με τον μεγάλο και αναδιπλωμένο ανθρώπινο εγκέφαλο, ο εγκέφαλος των ποντικών είναι μικρός και ομαλός. Μετά την απομόνωση, οι ερευνητές συνέκριναν τα γονίδια που είναι ενεργά στους διάφορους τύπους κυττάρων και μπόρεσαν να εντοπίσουν 56 γονίδια που είναι παρόντα μόνο στους ανθρώπους και που παίζουν ρόλο στην ανάπτυξη του εγκεφάλου. «Παρατηρήσαμε ότι το γονίδιο ARHGAP11B είναι ιδιαίτερα ενεργό σε βασικά εγκεφαλικά βλαστοκύτταρα. Αυτά τα κύτταρα είναι πραγματικά σημαντικά για την επέκταση του νεοφλοιού κατά τη διάρκεια της εξέλιξης», ανέφερε η Marta Florio, υποψήφια διδάκτωρ στο εργαστήριο του Wieland Huttner, όπου διεξήχθη το κύριο μέρος της μελέτης.

Στην πορεία της μελέτης, οι ερευνητές εστίασαν στη λειτουργία αυτού του ειδικού γονιδίου. Υποψιάστηκαν ότι αν ήταν υπεύθυνο για μια μεγαλύτερη δεξαμενή εγκεφαλικών βλαστοκυττάρων στον άνθρωπο και έτσι υπεύθυνο για έναν διευρυμένο εγκέφαλο, τότε αυτό το ειδικά ανθρώπινο γονίδιο θα μπορούσε να πυροδοτήσει μια παρόμοια ανάπτυξη στον μικρότερο εγκέφαλο ενός ποντικού. Εισήγαγαν το γονίδιο σε έμβρυα ποντικού και πράγματι: Υπό την επίδραση του ειδικά ανθρώπινου γονιδίου, τα ποντίκια παρήγαγαν σημαντικά περισσότερα εγκεφαλικά βλαστοκύτταρα και στις μισές από τις περιπτώσεις προκάλεσε ακόμη και αναδίπλωση του νεοφλοιού, πράγμα που είναι τυπικό για τους ανθρώπινους εγκεφάλους. Όλα αυτά τα αποτελέσματα συνηγορούν ότι το γονίδιο ARHGAP11B παίζει ρόλο κλειδί στην εξελικτική επέκταση του ανθρώπινου νεοφλοιού.

Η εικόνα εμφανίζει ένα εγκεφαλικό φλοιό ενός εμβρύου ποντικού. Οι κυτταρικοί πυρήνες χρωματίζονται μπλε και οι νευρώνες των βαθέων στρωμάτων κόκκινοι. Το ειδικό ανθρώπινο γονίδιο ARHGAP11B ήταν επιλεκτικά εκφρασμένο στο δεξιό μισό του εγκεφάλου, όπου είναι ορατό με την αναδίπλωση της επιφάνειας του νεοφλοιού. Credit: MPI f. Molecular Cell Biology and Genetics

Δεδομένα από ερευνητές που εργάζονται με τον Svante Pääbo από το Ινστιτούτο Max Planck για την εξελικτική ανθρωπολογία στη Λειψία, επιβεβαιώνουν ότι το ARHGAP11B όχι μόνο λειτουργεί στο ανθρώπινο γονιδίωμα, αλλά υπήρχε στους Νεάντερνταλ και στην ανθρωπίνα Ντενίσοβα. Οι Νεάντερνταλ είχαν παρόμοια μεγάλο εγκέφαλο με τους ανθρώπους. «Το ARHGAP11B είναι το πρώτο ειδικά ανθρώπινο γονίδιο που θα μπορούσαμε να δείξουμε ότι συνεισφέρει στη συγκέντρωση βασικών εγκεφαλικών βλαστοκυττάρων και μπορεί να πυροδοτήσει αναδίπλωση του νεοφλοιού. Με αυτό τον τρόπο καταφέραμε να κάνουμε το επόμενο βήμα στην εξέλιξη», συνοψίζει ο Wieland Huttner.

Η ερευνητική του ομάδα για πολύ καιρό ενδιαφέρονταν για τα μυστικά της εξέλιξης του ανθρώπινου εγκεφάλου. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές του, έκαναν διάφορες ανακαλύψεις που συνεισέφεραν στην κατανόηση του πώς μπορούσε να αναπτυχθεί ένας μεγάλος εγκέφαλος κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Το έτος 2010, για παράδειγμα, οι ερευνητές προσδιόρισαν ένα νέο τύπο βλαστοκυττάρων στην εξωτερική ζώνη ανάπτυξης του εγκεφάλου. Το τρέχον project του Wieland Huttner και της ομάδας του έγινε μαζί με τους Andreas Dahl και Robert Lachmann, αντίστοιχα από το DFG Ερευνητικό Κέντρο, Δρέσδης, για Αναγεννητικές Θεραπείες και το Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο Carl Gustav Carus, του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας της Δρέσδης.

Πηγή: Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics

Περισσότερα στο άρθρο: Human-specific gene ARHGAP11B promotes basal progenitor amplification and neocortex expansion, Science