Gli scienziati hanno scoperto una maggiore produzione di neuroni nel lobo frontale durante lo sviluppo del cervello negli esseri umani moderni rispetto ai Neanderthal a causa del cambiamento di un singolo aminoacido nella proteina TKTL1.
Sia i Neanderthal che gli esseri umani moderni hanno sviluppato cervelli di dimensioni simili
Cosa rende unici gli esseri umani moderni? È una domanda che è stata a lungo una forza trainante per i ricercatori. Pertanto, affascinanti intuizioni vengono rivelate dal confronto con i nostri parenti più stretti, i Neanderthal. L’aumento delle dimensioni del cervello e l’aumento della produzione di neuroni durante lo sviluppo del cervello sono considerati fattori primari per l’aumento delle capacità cognitive che si è verificato durante l’evoluzione umana. Tuttavia, mentre sia i Neanderthal che gli esseri umani moderni hanno sviluppato cervelli di dimensioni simili, si sa veramente poco se il cervello umano moderno e quello di Neanderthal possa aver differito in termini di produzione di neuroni durante lo sviluppo.
Gli scienziati del Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) di Dresda hanno scoperto che la moderna variante umana della proteina TKTL1, che differisce per un solo aminoacido dalla variante di Neanderthal, aumenta in un tipo specifico di cellule cerebrali progenitrici, chiamate glia radiale basale, nel cervello umano moderno. Le cellule gliali radiali basali generano la maggior parte dei neuroni nella neocorteccia in via di sviluppo, una parte del cervello essenziale per molte capacità cognitive.
Poiché l’attività di TKTL1 è particolarmente elevata nel lobo frontale del cervello umano fetale, gli scienziati hanno concluso che questa singola sostituzione di amminoacidi, chiamata TKTL1, è alla base di una maggiore produzione di neuroni nel lobo frontale in via di sviluppo della neocorteccia negli esseri umani moderni rispetto ai Neanderthal.
Solo un piccolo numero di proteine presenta differenze nella sequenza dei loro amminoacidi – i mattoni delle proteine - tra gli esseri umani moderni e i nostri parenti estinti, i Neanderthal e i Denisova. È in gran parte sconosciuto quale sia il significato biologico di queste differenze per lo sviluppo del cervello umano moderno. In effetti, gli esseri umani moderni e i Neanderthal presentano un cervello, e in particolare una neocorteccia, di dimensioni simili, ma non è chiaro se questa dimensione simile della neocorteccia implichi un numero simile di neuroni.
L’ultimo studio del gruppo di ricerca di Wieland Huttner, uno dei direttori fondatori del Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) di Dresda, affronta proprio questa domanda.
Gli scienziati si sono concentrati su una di queste proteine che presenta un singolo cambiamento di amminoacido essenzialmente in tutti gli esseri umani moderni rispetto ai Neanderthal, la proteina transketolasi-like 1 (TKTL1).
In particolare, nell’uomo moderno, TKTL1 contiene un’arginina nella posizione della sequenza in questione, mentre nel Neanderthal TKTL1 è l’amminoacido lisina correlato. Nella neocorteccia umana fetale, TKTL1 si trova nelle cellule progenitrici neocorticali, le cellule da cui derivano tutti i neuroni corticali. In particolare, il livello di TKTL1 è più alto nelle cellule progenitrici del lobo frontale.
Il TKTL1 umano moderno, presenta più neuroni nella neocorteccia di topo embrionale rispetto al TKTL1 di Neanderthal.
Anneline Pinson, autrice principale dello studio e ricercatrice nel gruppo di Wieland Huttner, ha deciso di indagare sul significato di questo cambiamento di un amminoacido per lo sviluppo della neocorteccia introducendo la variante umana moderna o quella di Neanderthal di TKTL1 nella neocorteccia degli embrioni di topo. Hanno osservato che le cellule gliali radiali basali, il tipo di progenitori neocorticali ritenuti la forza trainante per un cervello più grande, aumentavano con la moderna variante umana di TKTL1 ma non con la variante di Neanderthal. Di conseguenza, il cervello degli embrioni di topo con il moderno TKTL1 umano conteneva più neuroni.
Più neuroni nel lobo frontale degli esseri umani moderni
Successivamente, i ricercatori hanno esplorato la rilevanza di questi effetti per lo sviluppo del cervello umano. A tal fine, hanno sostituito l’arginina nel moderno TKTL1 umano con la lisina caratteristica del Neanderthal TKTL1, utilizzando organoidi cerebrali umani. Si tratta di strutture in miniatura simili a organi che possono essere coltivate da cellule staminali umane in piastre di coltura cellulare in laboratorio e imitano aspetti dello sviluppo precoce del cervello umano.
“Abbiamo scoperto che con l’amminoacido di tipo Neanderthal in TKTL1, sono state prodotte meno cellule gliali radiali basali rispetto al moderno tipo umano e, di conseguenza, anche meno neuroni”, ha affermato Anneline Pinson. “Questo ci mostra che anche se non sappiamo quanti neuroni avesse il cervello di Neanderthal, possiamo presumere che gli esseri umani moderni abbiano più neuroni nel lobo frontale del cervello, dove l’attività TKTL1 è più alta, rispetto ai Neanderthal”.
I ricercatori hanno anche scoperto che il moderno TKTL1 umano agisce attraverso cambiamenti nel metabolismo. In particolare, stimolazione della via del pentoso fosfato seguita da una maggiore sintesi di acidi grassi. In questo modo, si pensa che il moderno TKTL1 umano aumenti la sintesi di alcuni lipidi di membrana necessari per generare il lungo processo delle cellule gliali radiali basali che stimola la loro proliferazione e, quindi, aumenta la produzione di neuroni.
“Questo studio implica che la produzione di neuroni nella neocorteccia durante lo sviluppo fetale è maggiore negli esseri umani moderni rispetto ai Neanderthal, in particolare nel lobo frontale”, ha concluso Wieland Huttner, che ha supervisionato lo studio. “Abbiamo ipotizzato che questo abbia promosso le moderne capacità cognitive umane associate al lobo frontale”.
Fonte: Science
