Umfassende Studie untersucht den Einfluss der Genexpression auf die Gehirnentwicklung von Primaten

Ein interdisziplinäres Forscherteam unter der Leitung von Biologen der University of Massachusetts Amherst veröffentlichte kürzlich die Ergebnisse einer einzigartigen Studie, die die Zusammenhänge zwischen Genexpression und Gehirnentwicklung bei 18 Primatenarten untersucht.

Das Team sammelte Gehirngewebeproben aus Zoos, deren Tiere auf natürliche Weise gestorben waren, sowie von Menschen, die ihre Körper der Wissenschaft gespendet hatten, und sequenzierte dann die RNA-Transkripte jeder Probe, um eine Karte aller 17.000 exprimierten Gene zu erstellen im Gehirn jedes Primaten.

Anschließend verglich das Team die vollständig sequenzierten RNA-Transkriptome jeder Art, um die Zusammenhänge zwischen Genomik und Evolution besser zu verstehen und möglicherweise Einblicke in die Nuancen der Gehirnaktivität sowie neurodegenerativer Erkrankungen zu erhalten.

„Wir untersuchen die Evolution des Gehirns von Primaten“, sagt Katie Rickelton, Hauptautorin der Studie veröffentlicht In eLifeund Doktorand in Molekular- und Zellbiologie an der UMass Amherst.

„Primaten und insbesondere Menschen zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Vergleich zu ihrer Körpergröße ein sehr großes Gehirn haben – und dennoch sind Menschen, Schimpansen und Lemuren alle sehr unterschiedlich, obwohl sie ähnliche DNA-Sequenzen haben. Wir glauben, dass dieser Unterschied teilweise durch die Gene erklärt werden kann.“ werden auf höheren oder niedrigeren Ebenen ausgedrückt.“

Andere Forscher haben die RNA im Gehirn von Primaten sequenziert, allerdings in einem viel begrenzteren Umfang. „Wenn wir herausfinden wollen, was den Menschen unter den Primaten einzigartig macht“, sagt die leitende Autorin Courtney Babbitt, außerordentliche Professorin für Biologie an der UMass Amherst, „müssen wir eine größere Auswahl an Primaten untersuchen, und niemand hat nachgeschaut.“ bei einer so großen Stichprobe zuvor.“

Um ihre Forschung durchzuführen, arbeiteten Rickelton, Babbitt und ihre Kollegen mit der National Institute for Child Health and Human Development Brain and Tissue Bank for Developmental Disorders an der University of Maryland, der National Chimpanzee Brain Resource und fast einem Dutzend anderer Institutionen zusammen weithin für ihre ethische Beschaffung von Hirngewebe anerkannt.

Das Team entnahm Proben aus vier verschiedenen Gehirnregionen – darunter dem präfrontalen Kortex, dem primären visuellen Kortex, dem Hippocampus und dem Kleinhirn – in jeder der 18 untersuchten Arten und nutzte den Genomikkern am Institute for Applied Life Sciences der UMass Amherst, um die RNA-Sequenzierung durchzuführen .

RNA ist der Zwischenschritt zwischen der DNA – dem Masterplan jeder Art – und den Proteinen, die tatsächlich einen individuellen Körper aufbauen.

Die Anzahl und Art der Proteine, die produziert werden können, wird durch die Menge an RNA bestimmt, die mit den Transkriptomen kartiert wird, die Rickelton, Babbitt und ihre Kollegen generiert haben. Und es ist eine immense Aufgabe.

„Wir haben jedes einzelne der 17.000 Gene sequenziert, die in jeder der vier Regionen der 18 Arten exprimiert werden“, sagt Babbitt. „Und wir konnten sie mit sehr hoher Auflösung abtasten“, fügt Rickelton hinzu. „Dies ist die beste Serie von Transkriptomen, die wir für die Gehirne dieser 18 Arten haben.“

Das Team suchte nach Unterschieden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Gehirnfunktionen im Zusammenhang mit Kognition und Stoffwechsel, da die großen und komplexen Gehirne, die wir Menschen mit unseren Primatenverwandten teilen, viel Energie benötigen. Sie fanden einen bemerkenswerten Grad an Variation im gesamten Artenspektrum, vom Menschen bis zum Zwergloris.

Beispielsweise weisen Menschen und Schimpansen im Vergleich zu den anderen 16 Arten ein bemerkenswertes Maß an Variation auf, obwohl sich Menschen und Schimpansen erst vor relativ kurzer Zeit vom Rest der Menschenaffen abgespalten haben und der natürlichen Selektion nur wenig Zeit zum Handeln bleibt. Und obwohl es in den vier Regionen des Gehirns, die das Team untersucht hat, Unterschiede gibt, scheint der Großteil der Unterschiede in erster Linie durch die Artenentwicklung erklärbar zu sein.

Die Ausnahme, betont Rickelton, ist das Kleinhirn. „Es ist evolutionär gesehen der älteste Teil des Gehirns“, sagt Rickelton, „und hatte daher die meiste Zeit, sich für jede Art auf unterschiedliche Weise zu entwickeln.“

Schließlich identifizieren die Ergebnisse des Teams bestimmte Gene für weitere Untersuchungen, die dabei helfen könnten, die Entwicklung des Gehirns bestimmter Primaten zu erklären. Diese Gene könnten dazu beitragen, die Nuancen der Gehirnaktivität in jeder der vier Regionen besser zu verstehen und Einblicke in verschiedene neurodegenerative Erkrankungen des Menschen, wie etwa die Alzheimer-Krankheit, zu geben.

„Es ist eines der großen evolutionären Paradoxe: Menschen und Schimpansen haben so ziemlich die gleichen Gene und sind doch so unterschiedlich“, sagt Babbitt. „Um herauszufinden, was uns zu Menschen macht, müssen wir uns die genetische Expression einer Vielzahl unserer evolutionären Cousins ​​ansehen, und genau das haben wir mit dieser Studie begonnen.“