Dans une étude récente publiée dans La scienceles chercheurs ont démontré comment l’expression du gène transketolase-like 1 (TKTL1) influençait la neurogenèse néocorticale chez l’homme moderne.
Sommaire
Arrière plan
Curieusement, une seule substitution d’acide aminé dans TKTL1, de la lysine chez les singes et les humains archaïques à l’arginine chez les humains modernes, a modifié la fonction et l’organisation des couches cérébrales, telles que le néocortex, en particulier dans le lobe frontal. Les changements évolutifs dans le néocortex cérébral et l’augmentation simultanée de la production de neurones ont amélioré les capacités cognitives observées chez l’homme moderne. Les analyses Endocast ont révélé que le volume endocrânien des humains modernes et des Néandertaliens était similaire, suggérant une taille de néocortex similaire. Cependant, les fossiles n’ont pas permis d’évaluer si une taille de néocortex similaire impliquait une production de neurones néocorticaux similaire.
Une précédente étude de Pinson et coll. ont analysé l’effet d’un seul changement d’acide aminé dans la protéine TKTL1 sur la production de glie radiale basale (bRG), les cellules générant la plupart des parties du néocortex. Ils ont observé que dans les organoïdes, la variante humaine de TKTL1 (hTKTL1) générait plus de neuroprogéniteurs que la variante archaïque (aTKTL1) trouvée chez les Néandertaliens, les Denisoviens et d’autres primates. C’est peut-être pour cette raison que les humains modernes ont plus de néocortex dans leur cerveau que les Néandertaliens.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont étudié le rôle de TKTL1 dans le développement du néocortex, qui, à son tour, affecte le nombre de neuroprogéniteurs. De plus, ils ont déterminé si aTKTL1 et hTKTL1 avaient des effets similaires sur les neuroprogéniteurs au cours du développement du néocortex.
L’étude a utilisé la surexpression de gènes dans le développement de souris et de néocortex de furet. De même, ils ont utilisé la technologie de knock-out dans le tissu néocortical humain fœtal et la technologie d’édition du génome pour étudier les organoïdes cérébraux.
À l’aide de la technologie d’inactivation de hTKTL1 médiée par des répétitions palindromiques courtes régulièrement espacées (CRISPR)-CRISPR, ils ont montré que l’inactivation de hTKTL1 dans le tissu néocortical humain fœtal réduisait considérablement le nombre de brG. Ensuite, l’équipe a utilisé des organoïdes cérébraux pour valider leurs découvertes. Ces mini-structures cérébrales fabriquées à partir de cellules souches embryonnaires humaines avaient aTKTL1 au lieu de hTKTL1.
Plus précisément, l’équipe a obtenu de l’acide ribonucléique (ARN) total à partir d’organoïdes humains dérivés de H9 simulés et modifiés par des gènes. Ils ont utilisé une PCR quantitative en temps réel (qPCR) pour confirmer que ces organoïdes exprimaient l’ARN messager (ARNm) de TKTL1, suivi d’un séquençage Sanger des produits de PCR. Ils ont cartographié des organoïdes fictifs et modifiés par des gènes sur le gène TKTL1 humain pour confirmer l’expression de l’ARNm de hTKTL1 dans les organoïdes humains modifiés par des simulacres et l’ARNm archaïque de TKTL1 dans les organoïdes humains modifiés par des gènes.
Avant l’immunofluorescence, ils ont coupé des cryosections coronales de 20 à 50 µm d’épaisseur à l’aide d’un cryostat et ont stocké ces échantillons à –20˚C. Tout d’abord, l’équipe a soumis une suspension unicellulaire du néocortex embryonnaire de souris à une coloration de la surface cellulaire. Ensuite, ils l’ont microdisséqué sous un stéréomicroscope à épifluorescence. De cette façon, ils ont obtenu la région électroporée du néocortex. Enfin, l’équipe a utilisé la spectrométrie de masse (MS) pour déterminer les niveaux d’acétyl coenzyme A (acétyl-CoA) dans le bRG isolé par tri cellulaire activé par fluorescence (FACS).
Résultats de l’étude
Naturellement, le néocortex de l’embryon de souris manque d’expression de TKTL1. L’introduction du gène hTKTL1 dans le néocortex d’embryon de souris a augmenté l’abondance de bRG sans affecter les progéniteurs intermédiaires basaux (bIP) et la population de progéniteurs apicaux, ce qui, à son tour, a augmenté la production de neurones corticaux au fil du temps, en particulier des neurones de la couche supérieure à développement tardif. À l’inverse, aTKTL1, ne différant que par un acide aminé, n’a pas augmenté l’abondance de bRG.
En outre, les auteurs ont noté que l’expression de hTKTL1 augmentait l’abondance de bRG et la proportion de bRG avec de multiples processus, une caractéristique de bRG qui peut s’auto-amplifier, dans le développement du néocortex du furet. Par conséquent, la taille du gyrus du furet a augmenté.
De plus, les chercheurs ont observé que les organoïdes cellulaires exprimant aTKTL1 contenaient moins de bRG et de cellules neuroprogénitrices. Cette découverte a confirmé que la substitution de la lysine à l’arginine dans hTKTL1 était essentielle pour maintenir la population de bRG dans ce modèle de cerveau humain. De même, l’expression de hTKTL1 dans les neuroprogéniteurs a augmenté au cours de la neurogenèse dans le néocortex fœtal humain. Curieusement, cette expression était plus élevée dans le lobe frontal en développement que dans le lobe occipital en développement.
Une autre observation intéressante était que le hTKTL1 augmentait la population de bRG via deux voies métaboliques consécutives, la voie des pentoses phosphates (PPP) et la synthèse des acides gras. Par conséquent, lorsque les chercheurs ont supprimé les voies de synthèse du PPP ou des acides gras à l’aide d’une gamme d’inhibiteurs spécifiques, l’augmentation induite par hTKTL1 de la population de bRG a cessé dans le néocortex embryonnaire de la souris. De même, les nombres de bRG ont été réduits dans le tissu néocortical fœtal humain.
De plus, les auteurs ont noté que les bRG stimulés par hTKTL1, mais pas les bRG induits par aTKTL1, avaient une concentration plus élevée d’acétyl-co A, un métabolite crucial pour la synthèse des acides gras. Ainsi, seul hTKTL1 a favorisé la synthèse de lipides membranaires contenant un type d’acide gras nécessaire à l’excroissance des processus bRG, ce qui a augmenté leur population.
conclusion
L’étude actuelle a démontré ce qui distingue la neurogenèse néocorticale des humains modernes des Néandertaliens. Bien que ces humains archaïques aient des cerveaux similaires (en taille) à ceux des humains modernes, une seule substitution de la lysine à l’arginine dans le gène hTKTL1 a conduit à l’abondance de bRG mais pas à celle des bIP, qui, à leur tour, ont généré plus de neurones néocorticaux chez les humains modernes. De plus, les chercheurs ont démontré que l’effet hTKTL1 nécessitait la synthèse de PPP et d’acides gras, et que l’inhibition de ces voies réduisait l’abondance de bRG dans le tissu néocortical humain fœtal.