I ricercatori, utilizzando due studi separati, hanno confrontato la regolazione genica legata allo sviluppo del cervello e del viso negli esseri umani e negli scimpanzé grazie a una nuova tecnica genetica.
I due studi hanno evidenziato nuove differenze genetiche tra la nostra specie e gli scimpanzé.
Per studiare l’evoluzione degli esseri umani la cosa migliore da fare è quella di confrontare la nostra specie con le specie non umane strettamente correlate alla nostra. Questo legame può aiutare gli scienziati a capire con maggior accuratezza ciò che ci rende quello che siamo: umani.
L’ambito umano tuttavia è così ristretto che può anche essere molto complesso da definire. Per affrontare le difficoltà, i ricercatori della Stanford University hanno sviluppato una nuova tecnica genetica per confrontare le differenze tra le specie in esame.
la nuova tecnica genetica è stata utilizzata in due serie diverse di esperimenti che hanno permesso ai ricercatori di scoprire nuove differenze genetiche tra esseri umani e scimpanzé.
Hanno trovato una significativa differenza nell’espressione del gene SSTR2 – che modula l’attività dei neuroni nella corteccia cerebrale ed è collegato, negli esseri umani, ad alcune malattie neuropsichiatriche come la demenza e la schizofrenia.
La nuova tecnica genetica ha trovato differenze anche nell’espressione del gene EVC2 , che è correlato alla forma del viso. I risultati dello studio sono stati pubblicati il 17 marzo rispettivamente su Nature e Nature Genetics.
Secondo Rachel Agoglia, laureata in genetica alla Stanford University, studiare la nostra evoluzione è importante, non solo ci fa capire da dove veniamo, ma ci dice per quale motivo noi esseri umani contraiamo un grande numero di malattie che non sono presenti in altre specie.
Agloglia è l’autrice principale del documento pubblicato su Nature.
Il documento pubblicato su Nature descrive la nuova tecnica genetica, che prevede la fusione di cellule della pelle umane e di scimpanzé che sono state modificate per funzionare come cellule staminali – cellule che possono trasformarsi in una varietà di altri tipi di cellule (ma non in un organismo completo).
“Queste cellule hanno uno scopo specifico molto importante in questo tipo di studio, permettendoci di confrontare con precisione i geni umani e degli scimpanzé e le loro attività fianco a fianco”, ha detto Hunter Fraser, professore associato di biologia della Stanford’s School of Humanities and Sciences.
Fraser è autore senior del documento pubblicato su Nature Genetics e co-autore senior del documento pubblicato su Nature con la collaborazione di Sergiu Pașca, professore associato di psichiatria e scienze comportamentali della Stanford School of Medicine.
I confronti con la nuova tecnica genetica
Fraser è interessato a come la genetica umana e di altri primati si confronta a livello di elementi regolatori cis, che influenzano l’espressione dei geni vicini (situati nello stesso cromosoma). L’alternativa, chiamata fattori trans-regolatori, può regolare l’espressione di geni distanti su altri cromosomi posti in altre parti del genoma.
A causa dei loro ampi effetti, è meno probabile che i fattori trans-regolatori (come le proteine) differiscano tra specie strettamente imparentate rispetto agli elementi di regolazione cis.
Ma anche quando gli scienziati hanno accesso a cellule simili di esseri umani e scimpanzé, c’è il rischio di fattori di confusione. Ad esempio, le differenze nei tempi di sviluppo tra le specie sono un ostacolo nello studio dello sviluppo del cervello, ha spiegato Pașca.
Questo perché il cervello umano e il cervello degli scimpanzé si sviluppano a differenti velocità e non c’è modo di confrontarli direttamente. Ospitando il DNA umano e quello di scimpanzé all’interno dello stesso nucleo cellulare, gli scienziati possono eliminare la maggior parte dei fattori di confusione.
Per gli esperimenti iniziali con la nuova tecnica genetica che utilizzano queste cellule, Agoglia ha fatto in modo che le cellule formassero un fascio di cellule cerebrali simili alla corteccia cerebrale in via di sviluppo dei mammiferi.
Pașca, nel suo laboratorio, si è occupato dello sviluppo di organoidi cerebrali allo scopo di capire come avviene lo sviluppo del cervello umano e cosa succede in caso di malattia.
Man mano che i cluster di cellule cerebrali si sviluppano e maturano, la loro attività genetica imita ciò che accade nelle prime fasi del neurosviluppo in ciascuna delle specie.
Poiché il DNA umano e il DNA di scimpanzé sono legati insieme nello stesso ambiente cellulare, sono esposti alle stesse condizioni e quindi maturano parallelamente. Pertanto, qualsiasi differenza osservata nell’attività genetica delle due specie può essere attribuita alle loro differenze genetiche effettive.
Grazie allo studio degli organoidi cerebrali derivati dalle cellule fuse, coltivate per 200 giorni, i ricercatori hanno trovato migliaia di geni che mostravano differenze di regolazione cis tra le specie.
Hanno deciso di indagare ulteriormente sul gene SSTR2 che era quello più presente nei neuroni umani e funziona come un recettore per un neurotrasmettitore chiamato somatostatina. In successivi confronti tra cellule umane e di scimpanzé hanno confermato ai ricercatori l’elevata espressione proteica del gene SSTR2 nelle cellule corticali umane.
Inoltre, quando i ricercatori hanno esposto le cellule di scimpanzé e le cellule umane a una molecola di un farmaco che si lega a l gene SSTR2, hanno scoperto che i neuroni umani rispondevano molto di più al farmaco rispetto ai neuroni di scimpanzé.
Questo suggerisce in che modo l’attività dei neuroni umani nei circuiti corticali può essere modificata dai neurotrasmettitori. È interessante sottolineare che questa attività neuromodulante può essere correlata alla malattia poiché è stato dimostrato che il gene SSTR2 è coinvolto nella malattia del cervello.
“L’evoluzione del cervello dei primati potrebbe aver comportato l’aggiunta di sofisticate caratteristiche neuromodulatorie ai circuiti neurali, che in determinate condizioni possono essere perturbate e aumentare la suscettibilità alle malattie neuropsichiatriche”, ha detto Pașca.
Fraser ha spiegato che questi risultati sono essenzialmente “una prova del concetto che l’attività che stiamo vedendo in queste cellule fuse è effettivamente rilevante per la fisiologia cellulare”.
Differenze estreme
Negli esperimenti condotti con la nuova tecnica genetica che invece sono stati pubblicati su Nature Genetics il team ha fatto in modo che le cellule si fondessero in un’unica cellula della cresta neurale cranica, che origina le ossa e la cartilagine del cranio e del viso determinandone l’aspetto.
“Eravamo interessati a questi tipi di cellule perché le differenze facciali sono considerate alcune delle differenze anatomiche più importanti che esistono tra esseri umani e scimpanzé – e queste differenze influenzano altri aspetti del nostro comportamento e della nostra evoluzione, come l’alimentazione, i sensi, l’espansione del cervello e la parola” ha spiegato David Gokhman, studente post-dottorato del laboratorio di Fraser e autore principale dell’articolo pubblicato su Nature Genetics . “Inoltre, le malattie congenite più comuni negli esseri umani sono legate alla struttura del viso”.
Nelle cellule fuse, i ricercatori, grazie alla nuova tecnica genetica hanno identificato un’espressione genica che è molto più attiva nei geni degli scimpanzé che nei geni umani – con un gene specifico, chiamato EVC2, che sembra essere sei volte più attivo negli scimpanzé.
La ricerca ha dimostrato che le persone che hanno geni EVC2 inattivi hanno facce più piatte rispetto ad altri, suggerendo che questo gene potrebbe spiegare perché le facce degli esseri umani sono più piatte rispetto a quelle di altri primati.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che 25 caratteristiche facciali associate al gene EVC2 inattivo sono notevolmente diverse tra esseri umani e gli scimpanzé e 23 di queste sono diverse nella direzione che i ricercatori avrebbero previsto, data una minore attività del gene EVC2 negli esseri umani.
Negli esperimenti di follow-up, in cui i ricercatori hanno ridotto l’attività del gene EVC2 nei topi, anche i roditori hanno sviluppato facce più piatte.
La nuova piattaforma sperimentale sviluppata dai ricercatori non intende sostituire gli studi di confronto cellulare esistenti, piuttosto sarà utile per supportare molte nuove scoperte sull’evoluzione umana e l’evoluzione in generale.
“Lo sviluppo umano e il genoma umano sono stati studiati molto bene”, ha spiegato Fraser. “Il mio laboratorio è molto interessato all’evoluzione umana, ma, poiché possiamo costruire su una tale ricchezza di conoscenze, questo lavoro può anche rivelare nuove intuizioni nel processo di evoluzione più in generale”.
Fraser ora è rivolto al futuro e ha intenzione di lavorare sulla differenziazione delle cellule fuse in altri tipi di cellule, come cellule muscolari, altri tipi di neuroni, cellule della pelle e cartilagine per allargare i propri studi sui tratti tipicamente umani.
Pașca, nel frattempo, è interessato a studiare le differenze genetiche legate agli astrociti, cellule multifunzionali nel sistema nervoso centrale, spesso trascurate dagli scienziati a favore dei neuroni.
