Zusammenfassung: Forscher machten bei der Untersuchung der Evolution des menschlichen Gehirns eine bedeutende Entdeckung und identifizierten Epiregulin als einen Schlüsselfaktor für die Expansion des menschlichen Neokortex. Durch den Vergleich der Gehirnentwicklung von Mäusen und Menschen und die Verwendung von 3D-Gehirnorganoiden fand das Team heraus, dass Epiregulin die Teilung und Expansion von Stammzellen fördert, die für die Entwicklung des Neokortex von entscheidender Bedeutung sind.
Diese Studie, die modernste 3D-Kulturtechnologie nutzte, legt nahe, dass die Menge an Epiregulin und nicht seine Anwesenheit oder Abwesenheit die menschliche Gehirnentwicklung von der anderer Arten, einschließlich Primaten wie Gorillas, unterscheidet. Die Forschung bietet neue Einblicke in die Einzigartigkeit des menschlichen Gehirns und unterstreicht den Wert innovativer Methoden für das Verständnis komplexer Evolutionsprozesse.
Wichtige Fakten:
- Die Rolle von Epiregulin bei der Gehirnerweiterung: Epiregulin fördert die Ausbreitung von Stammzellen im sich entwickelnden Gehirn und trägt so zur Komplexität und Größe des menschlichen Neokortex bei.
- 3D-Gehirnorganoide als Forschungsinstrument: Die Studie nutzte 3D-Gehirnorganoide, um die Entwicklung des menschlichen Gehirns nachzuahmen und so einen tiefen Einblick in die Zellmechanik ohne invasive Methoden zu ermöglichen.
- Menge über Präsenz: Die Forschung zeigt, dass Menschen und andere Primaten, einschließlich Gorillas, das Epiregulin-Gen besitzen, aber der Grad seiner Expression beim Menschen ist der Schlüssel für die Entwicklung unseres Neokortex.
Quelle: TUD
Was macht uns zu Menschen? Laut Neurobiologen ist es unser Neocortex. Diese äußere Schicht des Gehirns ist reich an Neuronen und ermöglicht es uns, abstrakt zu denken, Kunst zu schaffen und komplexe Sprachen zu sprechen.
Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Mareike Albert am Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) der Technischen Universität Dresden hat einen neuen Faktor identifiziert, der möglicherweise zur Neokortexexpansion beim Menschen beigetragen hat.
Die Ergebnisse wurden im veröffentlicht EMBO-Journal.
Der Neocortex ist die charakteristische gefaltete Außenschicht des Gehirns, die einer Walnuss ähnelt. Es ist für höhere kognitive Funktionen wie abstraktes Denken, Kunst und Sprache verantwortlich.
„Der Neocortex ist der zuletzt entwickelte Teil des Gehirns“, sagt Dr. Mareike Albert, Forschungsgruppenleiterin am CRTD.
„Alle Säugetiere haben einen Neocortex, dieser variiert jedoch in Größe und Komplexität. Die Neokortizes von Menschen und Primaten haben Falten, während beispielsweise Mäuse einen völlig glatten Neokortex ohne Falten haben.“
Die für das menschliche Gehirn charakteristischen Falten vergrößern die Oberfläche des Neocortex. Der menschliche Neocortex verfügt über eine größere Anzahl von Neuronen, die komplexe kognitive Funktionen unterstützen.
Die molekularen Mechanismen, die die Evolution des Neokortex vorantreiben, sind noch weitgehend unbekannt. „Welche Gene sind für die Unterschiede in der Neokortexgröße zwischen den Arten verantwortlich? Welche Faktoren haben zur Gehirnvergrößerung beim Menschen beigetragen? Die Beantwortung dieser Fragen ist von entscheidender Bedeutung, um die Entwicklung des menschlichen Gehirns zu verstehen und möglicherweise psychische Störungen anzugehen“, erklärt Dr. Albert.
Die Kraft der Gehirnorganoide
Um nach Faktoren zu suchen, die die Gehirnexpansion beeinflussen, verglich die Albert-Gruppe die sich entwickelnden Gehirne von Mäusen und Menschen.
„Stammzellen bei Mäusen teilen sich nicht so stark und produzieren nicht so viele Neuronen wie bei Primaten. Der Mensch hingegen verfügt im sich entwickelnden Gehirn über eine große Anzahl von Stammzellen. Dieser stark erweiterte Pool an Stammzellen ist die Ursache für die Zunahme der Neuronenzahl und der Gehirngröße“, erklärt Dr. Albert.
Das Team fand einen Faktor, der beim Menschen vorhanden ist, bei Mäusen jedoch nicht. Mithilfe der 3D-Zellkulturtechnologie testete die Gruppe, ob der neu identifizierte Faktor die Expansion des Neokortex beeinflussen könnte.
„Dank der 2012 mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Forschung ist es möglich, jede Zelle in eine Stammzelle umzuwandeln. Eine solche Stammzelle kann dann in ein dreidimensionales Gewebe umgewandelt werden, das einem Organ, beispielsweise einem Gehirn, ähnelt. Menschliche Stammzellen ermöglichen es, Entwicklung und Krankheiten direkt im menschlichen Gewebe zu untersuchen“, erklärt Dr. Albert.
Diese 3D-Gehirnkulturen oder Gehirnorganoide ähneln für ein ungeübtes Auge möglicherweise nicht den Gehirnen, ahmen jedoch die zelluläre Komplexität sich entwickelnder Gehirne nach. „Die meisten Zelltypen des sich entwickelnden Gehirns sind vorhanden. Sie interagieren, signalisieren und sind ähnlich angeordnet wie in einem echten menschlichen Gehirn“, sagt Dr. Albert.
Anhand von 3D-Gehirnorganoiden konnte die Gruppe zeigen, dass ein Wachstumsfaktor namens Epiregulin tatsächlich die Teilung und Expansion von Stammzellen im sich entwickelnden Gehirn fördert.
Alles über die Menge
„Da wir wussten, dass Epiregulin die Expansion menschlicher neokortikaler Stammzellen vorantreibt, haben wir uns das Gen angesehen, das für Epiregulin kodiert, und versucht, es im Evolutionsbaum zu verfolgen“, sagt Studienleiterin Paula Cubillos, Doktorandin am CRTD. Das Gen kommt nicht nur beim Menschen vor, sondern kommt auch bei anderen Primaten und sogar bei Mäusen vor.
„Im sich entwickelnden Mäusegehirn wird Epiregulin jedoch nicht produziert, da das Gen dauerhaft abgeschaltet ist und nicht genutzt wird. Wir waren neugierig, ob es Unterschiede in der Wirkungsweise von Epiregulin beim Menschen und bei anderen Primaten gibt“, erklärt Paula Cubillos.
Die Forscher wandten sich erneut der 3D-Kulturtechnologie zu. Mithilfe von Gorilla-Stammzellen erzeugten die Forscher Organoide des Gorilla-Gehirns. „Gorillas sind vom Aussterben bedrohte Arten. Wir wissen sehr wenig über ihre Gehirnentwicklung. Aus Stammzellen hergestellte Organoide bieten eine Möglichkeit, die Entwicklung ihres Gehirns zu untersuchen, ohne überhaupt mit der Art zu interagieren“, sagt Dr. Albert.
Beim Vergleich der Wirkung von Epiregulin in Organoiden des Gehirns von Menschen und Gorillas stellte das Team fest, dass die Zugabe von Epiregulin zu Organoiden des Gehirns von Gorillas die Expansion von Stammzellen weiter fördern kann. Die Zugabe von noch mehr Epiregulin zu Organoiden des menschlichen Gehirns hatte jedoch nicht den gleichen Effekt. Dies könnte daran liegen, dass der menschliche Neocortex bereits sehr stark expandiert ist.
„Im Gegensatz zu zuvor identifizierten Faktoren scheint Epiregulin als solches nicht nur beim Menschen zu vorkommen. Stattdessen scheint die Menge des Wachstumsfaktors der entscheidende Regulator für die Unterschiede zwischen den Arten zu sein“, schließt Dr. Albert.
Diese Studie erweitert nicht nur unser Verständnis der Einzigartigkeit des Menschen, sondern unterstreicht auch die Bedeutung neuer Technologien, die ethische und nicht-invasive Ergänzungen zur Tierforschung bieten.
Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit dem King’s College London, der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden, dem Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik und der Medizinischen Hochschule Hannover durchgeführt.
Über diese Neuigkeiten aus der Neurowissenschaft und Evolutionsforschung
Autor: Magdalena Gonciarz
Quelle: TUD
Kontakt:Magdalena Gonciarz – TUD
Bild: Das Bild stammt von Neuroscience News
Ursprüngliche Forschung: Offener Zugang.
„Der Wachstumsfaktor EPIREGULIN fördert die basale Vorläuferproliferation im sich entwickelnden Neokortex“ von Mareike Albert et al. EMBO-Journal
Abstrakt
Der Wachstumsfaktor EPIREGULIN fördert die basale Vorläuferproliferation im sich entwickelnden Neokortex
Die Expansion des Neokortex während der Evolution ist mit einer höheren Anzahl von Neuronen verbunden, was vermutlich auf eine erhöhte Proliferationskapazität und ein neurogenes Potenzial basaler Vorläuferzellen während der Entwicklung zurückzuführen ist.
Das zeigen wir hier EREG, das den Wachstumsfaktor EPIREGULIN kodiert, wird im sich entwickelnden Neocortex des Menschen und in Gehirnorganoiden von Gorillas exprimiert, jedoch nicht im Neocortex der Maus. Die Zugabe von EPIREGULIN zum Neocortex der Maus erhöht die Proliferation basaler Vorläuferzellen EREG Die Ablation in menschlichen kortikalen Organoiden reduziert die Proliferation in der subventrikulären Zone.
Die Behandlung kortikaler Organoide mit EPIREGULIN fördert eine weitere Steigerung der Proliferation von Gorilla-Zellen, nicht jedoch von menschlichen basalen Vorläuferzellen. EPIREGULIN konkurriert mit dem epidermalen Wachstumsfaktor (EGF), um die Proliferation zu fördern, und die Hemmung des EGF-Rezeptors hebt den EPIREGULIN-vermittelten Anstieg der basalen Vorläuferzellen auf.
Schließlich identifizieren wir mutmaßliche cis-regulatorische Elemente, die zu den beobachteten Unterschieden zwischen den Arten beitragen können EREG Ausdruck.
Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die artspezifische Regulierung der EPIREGULIN-Expression zur vergrößerten Neokortexgröße von Primaten beitragen kann, indem sie den basalen Vorläuferzellen in der subventrikulären Zone ein einstellbares proliferatives Signal liefert.