Onderzoek naar de unieke genen achter onze grote hersenen
Een groep genen die alleen bij mensen wordt aangetroffen en 3-4 miljoen jaar geleden in onze voorouders is ontstaan, heeft mogelijk de evolutie van onze grotere hersenen aangestuurd.
Deze openbaring - en het werk dat eraan voorafging - is het onderwerp van twee studies die nu in het tijdschrift worden vermeld Cel.
Eén studie werd geleid door de Universiteit van Californië (UC) Santa Cruz, en de andere werd geleid door de Université Libre de Bruxelles in België.
De bevindingen dichten een leemte in onze kennis over de veranderingen die de evolutie van onze grotere hersenen aandreven en gaven ons het vermogen om na te denken en problemen op te lossen.
De genen - genaamd NOTCH2NL - behoren tot een zeer oude familie genaamd Notch die voor het eerst werd geïdentificeerd in fruitvliegen; ze kregen hun naam omdat ze verband hielden met genetische fouten waardoor de vliegen gekerfde vleugels hadden.
Hoe NOTCH2NL het aantal neuronen verhoogt
Notch-genen gaan "honderden miljoenen jaren terug" en "spelen een belangrijke rol in de embryonale ontwikkeling", zegt David Haussler, een professor in biomoleculaire engineering aan UC Santa Cruz en co-senior auteur van het eerste studiepaper.
"Het is buitengewoon opwindend om te ontdekken", vervolgt hij, "dat mensen een nieuw lid van deze familie hebben dat betrokken is bij de ontwikkeling van de hersenen."
De onderzoekers ontdekten dat de NOTCH2NL-genen alleen voor mensen een sleutelrol lijken te spelen in de ontwikkeling van de menselijke cortex, de zetel van geavanceerde cognitieve vaardigheden zoals redeneren en taal.
De genen komen sterk tot expressie in de neurale stamcellen van de cortex en vertragen hun rijping tot specifieke celtypen.
Deze vertraging resulteert in de accumulatie van een grotere pool van stamcellen, wat er op zijn beurt toe leidt dat er meer neuronen worden geproduceerd in de loop van de hersenontwikkeling.
Genen versterken de signalering tijdens de ontwikkeling
NOTCH2NL-genen bevinden zich op een gebied van het menselijk genoom - "de lange arm van chromosoom 1" - dat in verband is gebracht met verschillende neurologische ontwikkelingsstoornissen zoals autisme, microcefalie, macrocefalie en schizofrenie.
Sommige van de aandoeningen zijn gekoppeld aan duplicatie van grote delen van DNA, en sommige zijn gekoppeld aan deleties. Ze staan bekend onder hun verzamelnaam "1q21.1 deletie / duplicatiesyndromen."
De eiwitten die worden gecodeerd door de Notch-genfamilie houden zich bezig met signalering in cellen en ook tussen cellen.
Veel van deze signalen bepalen het lot van stamcellen - bijvoorbeeld of ze moeten differentiëren in hersencellen of hartcellen - in veel delen van het lichaam.
De onderzoekers ontdekten dat de NOTCH2NL-genen coderen voor eiwitten die Notch-signalering "versterken".
"Notch-signalering", legt co-senior studie-auteur dr. Sofie R. Salama uit, die een onderzoeker is in biomoleculaire engineering aan UC Santa Cruz, "was al bekend dat het belangrijk was in het zich ontwikkelende zenuwstelsel."
"NOTCH2NL lijkt Notch-signalering te versterken, wat leidt tot een verhoogde proliferatie van neurale stamcellen en een vertraagde neurale rijping", voegt ze eraan toe.
‘DNA-kopieerfouten’
Dr. Salama wijst er echter op dat de genen slechts deel uitmaken van een veel groter proces dat de ontwikkeling van de menselijke cortex controleert: ze werken niet "in een vacuüm".
Ze kwamen in het spel op een "provocerende tijd in de menselijke evolutie". Ook zij en haar collega's vonden het interessant dat de genen geassocieerd zijn met ontwikkelingsstoornissen.
Het lijkt erop dat de "DNA-kopieerfouten" die bij onze voorouders optraden en die aanleiding gaven tot de NOTCH2NL-genen, van hetzelfde type zijn als die welke aanleiding geven tot neurologische aandoeningen bij het 1q21.1 deletie / duplicatiesyndroom.
Meestal treden de fouten op op locaties op chromosomen met lange DNA-sequenties die 'bijna identiek' zijn.
"Deze lange DNA-segmenten die bijna identiek zijn, kunnen de replicatieapparatuur verwarren en instabiliteit in het genoom veroorzaken", legt prof. Haussler uit.
Paradoxaal genoeg lijkt het erop dat het genduplicatieproces in het chromosoom 1-gebied dat ons onze grotere hersenen gaf, ook verantwoordelijk kan zijn voor het maken van ons kwetsbaar voor 1q21.1 deletie / duplicatiesyndroom.
Met behulp van sequentietools vonden de onderzoekers acht versies van NOTCH2NL bij de mens van vandaag, en ze vermoeden dat er nog meer te ontdekken valt.
Elke NOTCH2NL-versie varieert enigszins in de sequentiebepaling van zijn DNA, maar met welk effect is nog een raadsel.
De genen vertoonden subtiele verschillen bij testen in laboratoriumgekweekte cellen. Er is echter nog veel werk aan de winkel om erachter te komen wat deze verschillen betekenen, zegt dr. Salama.
"We hebben ontdekt dat ze allemaal Notch-signalering kunnen promoten."
Dr. Sofie R. Salama
