Eine Genexpressionsstudie zeigt, dass die Zelltypen des menschlichen Gehirns nicht nur zahlreicher, sondern auch spezialisierter werden

Unser Gehirn ist wohl das Organ, das den Menschen am meisten von anderen Primaten unterscheidet. Seine außergewöhnliche Größe, Komplexität und Fähigkeiten übertreffen die aller anderen Arten auf der Erde bei weitem. Dennoch teilen die Menschen über 95 % unseres Genoms mit Schimpansen, unseren nächsten lebenden Verwandten.

Soojin Yi, Professorin an der UC Santa Barbara in der Abteilung für Ökologie, Evolution und Meeresbiologie, ihr Doktorand Dennis Joshy und ihr Mitarbeiter Gabriel Santepere vom medizinischen Forschungsinstitut Hospital del Mar in Barcelona wollten kürzlich herausfinden, wie Gene in verschiedenen Arten von Gehirnzellen haben sich im Vergleich zu denen von Schimpansen weiterentwickelt. Sie fanden heraus, dass unsere Gene zwar für fast alle dieselben Proteine ​​kodieren wie die anderer Affen, viele unserer Gene jedoch viel produktiver sind als die anderer Primaten.

Ihre Ergebnisse, veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenbetonen die Rolle der Genexpression bei der Evolution und Funktion des menschlichen Gehirns.

Die Baupläne der Natur interpretieren

Jedes Gen weist eine Zelle an, ein bestimmtes Molekül herzustellen, die DNA selbst übernimmt dies jedoch nicht. Stattdessen werden die Informationen über ein Molekül namens Boten-RNA an die Zellmaschinerie weitergeleitet. Forscher messen die Genexpression, indem sie die Menge an mRNA beobachten, die ein bestimmtes Gen produziert.

Als Wissenschaftler begannen, die Rolle des Genoms als Bauplan des Lebens zu verstehen, dachten sie, dass das menschliche Genom vielleicht unsere einzigartigen Eigenschaften erklären könnte. Ein gründlicher Vergleich mit Schimpansen im Jahr 2005 ergab jedoch, dass wir 99 % unserer Gene gemeinsam haben (obwohl Wissenschaftler diese Zahl inzwischen revidiert haben). Dies bestätigte frühere Studien, die auf einer geringen Anzahl von Genen basierten und darauf hindeuteten, dass es nur einen geringen Unterschied zwischen den Genomen von Mensch und Schimpanse gab.

Nun vermuten Biologen, dass die Genexpression diesen Unterschieden zugrunde liegen könnte. Stellen Sie sich einen Monarchfalter vor. Das erwachsene Tier hat das gleiche Genom wie damals, als es eine Raupe war. Die unglaublichen Unterschiede zwischen den beiden Lebensstadien sind alle auf die Genexpression zurückzuführen. Das Ein- und Ausschalten verschiedener Gene oder deren Kodierung für mehr oder weniger mRNA kann die Eigenschaften eines Organismus drastisch verändern.

Ein klareres Bild bekommen

Frühere Forschungen haben Unterschiede in der Genexpression zwischen Menschen und Schimpansen festgestellt und dass menschliche Zellen tendenziell eine höhere Genexpression aufweisen, aber das Bild war verschwommen. Das Gehirn besteht aus vielen Zellarten. Traditionell unterteilten Wissenschaftler Gehirnzellen in zwei Haupttypen: Neuronen und Gliazellen. Neuronen übertragen elektrochemische Signale, ähnlich wie die Kupferleitungen in einem Gebäude. Gliazellen erfüllen die meisten anderen Funktionen, wie z. B. die Isolierung der Drähte, die Unterstützung der Struktur und die Beseitigung von Ablagerungen.

Bis vor kurzem konnten Wissenschaftler nur große Gewebeproben untersuchen, die aus vielen verschiedenen Zelltypen bestanden. Aber im letzten Jahrzehnt ist es möglich geworden, Zellkerne einzeln zu untersuchen. Dadurch können Forscher zwischen Zelltypen und oft sogar Subtypen unterscheiden.

Yi, Joshy und Santepere verwendeten Datensätze, die von einem Gerät mit einem sehr schmalen Kanal generiert wurden, um jeden Kern in einer Reihe in seine eigene Kammer zu unterteilen. Anschließend gruppierten sie die Zellen nach Typ, bevor sie eine statistische Analyse durchführten.

Das Team maß die Genexpression, indem es die Menge an mRNA beobachtete, die ein bestimmtes Gen bei Menschen, Schimpansen und Makaken produzierte. Ein hochreguliertes Gen produziert bei einer bestimmten Art im Vergleich zu den anderen mehr mRNA, während ein herunterreguliertes Gen weniger produziert. Durch den Vergleich von Schimpansen und Menschen mit Makaken konnten die Forscher erkennen, wann Unterschiede zwischen den beiden Affen auf Veränderungen bei Schimpansen, Veränderungen beim Menschen oder auf beides zurückzuführen waren.

Die Autoren stellten Unterschiede in der Expression von etwa 5–10 % der 25.000 Gene in der Studie fest. Im Allgemeinen wiesen menschliche Zellen im Vergleich zu Schimpansen mehr hochregulierte Gene auf. Dies ist ein viel größerer Prozentsatz, als die Forscher ermittelten, als sie die Analyse nicht nach Zelltyp aufschlüsseln konnten. Der Prozentsatz stieg auf 12–15 %, als die Autoren begannen, Zellsubtypen zu berücksichtigen.

„Jetzt können wir sehen, dass einzelne Zelltypen ihren eigenen Entwicklungsweg haben und sich wirklich spezialisieren“, sagte Yi.

Nicht nur Neuronen

Die Komplexität unserer Nervenbahnen ist im Tierreich einzigartig. Yi vermutet jedoch, dass unser einzigartiger Intellekt nicht allein daraus resultiert. Menschliche Gliazellen machen mehr als die Hälfte der Zellen in unserem Gehirn aus, ein viel größerer Prozentsatz als sogar bei Schimpansen.

Unter den Gliazellen zeigten Oligodendrozyten die größten Unterschiede in der Genexpression. Diese Zellen bilden die Isolierung, die Neuronen umhüllt, wodurch ihre elektrischen Signale viel schneller und effizienter übertragen werden können. In einer im Vorjahr veröffentlichten Gemeinschaftsstudie stellte das Team fest, dass Menschen im Vergleich zu Schimpansen ein höheres Verhältnis von Vorläufer- zu reifen Oligodendrozyten aufweisen. Yi vermutet, dass dies mit der erstaunlichen neuronalen Plastizität und der langsamen Entwicklung des menschlichen Gehirns zusammenhängt.

„Die zunehmende Komplexität unseres neuronalen Netzwerks hat sich wahrscheinlich nicht alleine entwickelt“, sagte Yi. „Es hätte nicht entstehen können, wenn sich nicht auch all diese anderen Zelltypen weiterentwickelt hätten und die Erweiterung der Neuronenvielfalt, der Anzahl der Neuronen und der Komplexität der Netzwerke ermöglicht hätten.“

In dieser Studie wurden nur Zellen aus einigen wenigen Regionen des Gehirns berücksichtigt. Allerdings können sich die Zellen in einem Bereich des Gehirns von ihren Gegenstücken in anderen Bereichen unterscheiden. Yi plant, die Mechanismen hinter Unterschieden in der Genexpression zu untersuchen und zu untersuchen, wie Gene auf verschiedene Merkmale abgebildet werden.

Sie plant außerdem, die unterschiedliche Genexpression noch früher in unserer Evolutionsgeschichte zu verfolgen, indem sie Basislinien von noch weiter entfernt verwandten Tieren einbezieht. Sie interessiert sich auch für die Untersuchung genomischer Unterschiede zwischen uns und anderen archaischen Menschen wie Neandertalern und Denisova-Menschen.

Bei der Evolution geht es um mehr als nur die Veränderung von Genen. „Differenzielle Genexpression ist eigentlich die Art und Weise, wie sich menschliche Gehirne entwickelten“, sagte Yi.