现代人和尼安德特人的大脑之间的关键差异被揭示出来

2022年09月09日 17:03 次阅读 稿源:cnBeta.COM

是什么让现代人变得独一无二?这个问题长期以来一直是研究人员的一个动力。因此,通过与我们的近亲尼安德特人的比较,可以揭示出令人着迷的见解。在大脑发育过程中,大脑大小的增加和神经元产量的增加被认为是人类进化过程中出现的认知能力提高的主要因素。然而,虽然尼安德特人和现代人开发的大脑大小相似,但对现代人和尼安德特人的大脑在开发过程中是否可能在神经元的产生方面存在差异知之甚少。

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来自马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)的科学家们,蛋白质TKTL1的现代人类变体与尼安德特人的变体只有一个氨基酸的差异,它增加了现代人类大脑中一种特定类型的脑祖细胞,称为基底放射状胶质。基底放射状胶质细胞在发育中的新皮层中产生大部分的神经元,而新皮层是大脑的一部分,对许多认知能力至关重要。由于TKTL1的活性在胎儿人脑的额叶中特别高,科学家们得出结论,TKTL1中这种单一的人类特有的氨基酸替换是现代人在发育中的新皮层额叶中产生比尼安德特人更多的神经元的基础。

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必威体育app在现代人和我们的已灭绝的近亲尼安德特人和丹尼索瓦人之间,仅有少数蛋白质的氨基酸序列存在差异--蛋白质的构建块。这些差异对于现代人类大脑的发展有什么生物学意义,在很大程度上是未知的。事实上,现代人和尼安德特人的特点是大脑,特别是新皮质的大小相似,但这种相似的新皮质大小是否意味着相似的神经元数量仍不清楚。

必威体育app马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)的创始人之一Wieland Huttner研究小组的最新研究正是针对这一问题。这项研究是与马克斯-普朗克进化人类学研究所主任Svante Pääbo和德累斯顿大学医院的Pauline Wimberger及其同事合作进行的。

必威体育app科学家们专注于这些蛋白质中的一个,与尼安德特人相比,基本上所有的现代人都出现了一个氨基酸变化,即蛋白质transketolase-like 1(TKTL1)。具体来说,在现代人中,TKTL1在有关的序列位置上含有一个精氨酸,而在尼安德特人的TKTL1中,它是相关的氨基酸赖氨酸。在胎儿的人类新皮层中,TKTL1在新皮层祖细胞中被发现,所有皮层神经元都是从这些细胞中产生的。值得注意的是,TKTL1的水平在额叶的祖细胞中是最高的。

必威体育app该研究的主要作者、Wieland Huttner小组的研究员Anneline Pinson着手研究这一个氨基酸变化对新皮质发育的意义。Anneline和她的同事将TKTL1的现代人类或尼安德特人变体引入小鼠胚胎的新皮质中。他们观察到,基底放射状胶质细胞,即被认为是增大大脑的驱动力的那种新皮层祖细胞,在TKTL1的现代人类变体中有所增加,而在尼安德特人变体中则没有。因此,带有现代人类TKTL1的小鼠胚胎的大脑含有更多的神经元。

此后,研究人员探讨了这些影响与人类大脑发育的相关性。为此,他们利用人脑器官,用尼安德特人TKTL1特有的赖氨酸取代了现代人TKTL1中的精氨酸。这些是微型的器官样结构,可以在实验室的细胞培养皿中从人类干细胞中培养出来,并模仿人类早期大脑发育的各个方面。

“我们发现,在TKTL1中使用尼安德特人类型的氨基酸时,产生的基底放射状胶质细胞比使用现代人类型的要少,因此,产生的神经元也更少,”Anneline Pinson说。“这向我们表明,尽管我们不知道尼安德特人的大脑有多少神经元,但我们可以假设现代人在TKTL1活性最高的大脑额叶有比尼安德特人更多的神经元。”

研究人员还发现,现代人的TKTL1通过改变代谢发挥作用。具体而言,刺激磷酸戊糖途径,然后增加脂肪酸的合成。通过这种方式,现代人TKTL1被认为增加了某些膜脂质的合成,这些膜脂质是生成基底放射状胶质细胞的长过程,刺激了它们的增殖,因此增加了神经元的生产。

“这项研究暗示,现代人在胎儿发育过程中新皮质的神经元产量比尼安德特人要大,特别是在额叶,”监督这项研究的Wieland Huttner总结说。“很容易推测这促进了与额叶相关的现代人类认知能力。”

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