Το ερώτημα για το τι κάνει τους σύγχρονους ανθρώπους μοναδικούς υπήρξε από καιρό κινητήρια δύναμη για τους ερευνητές. Οι συγκρίσεις με τους στενότερους συγγενείς μας, τους Νεάντερταλ, παρέχουν επομένως συναρπαστικές πληροφορίες. Η αύξηση του μεγέθους του εγκεφάλου και η παραγωγή νευρώνων κατά την ανάπτυξη του εγκεφάλου, θεωρούνται κύριοι παράγοντες για τις αυξημένες γνωστικές ικανότητες που εμφανίστηκαν κατά την ανθρώπινη εξέλιξη. Ωστόσο, ενώ τόσο οι Νεάντερταλ όσο και οι σύγχρονοι άνθρωποι αναπτύσσουν εγκεφάλους παρόμοιου μεγέθους, πολύ λίγα είναι γνωστά για το εάν οι εγκέφαλοι του σύγχρονου ανθρώπου και του Νεάντερταλ μπορεί να διέφεραν ως προς την παραγωγή νευρώνων κατά την ανάπτυξη.
Ανάπτυξη εγκεφάλου
Ερευνητές από το Ινστιτούτο Μοριακής Κυτταρικής Βιολογίας και Γενετικής Max Planck (MPI-CBG) στη Δρέσδη δείχνουν τώρα ότι η σύγχρονη ανθρώπινη παραλλαγή της πρωτεΐνης TKTL1, η οποία διαφέρει μόνο κατά ένα αμινοξύ από την παραλλαγή του Νεάντερταλ, αυξάνει έναν τύπο προγονικού εγκεφάλου. κύτταρα, που ονομάζονται βασική ακτινωτή γλοία, στον σύγχρονο ανθρώπινο εγκέφαλο. Τα βασικά ακτινογλοιακά κύτταρα δημιουργούν την πλειονότητα των νευρώνων στον αναπτυσσόμενο νεοφλοιό, ένα μέρος του εγκεφάλου που είναι ζωτικής σημασίας για πολλές γνωστικές ικανότητες.
Καθώς η δραστηριότητα του TKTL1 είναι ιδιαίτερα υψηλή στον μετωπιαίο λοβό του εμβρυϊκού ανθρώπινου εγκεφάλου, οι ερευνητές καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι αυτή η μοναδική για τον άνθρωπο αντικατάσταση αμινοξέων στο TKTL1 αποτελεί τη βάση μιας μεγαλύτερης παραγωγής νευρώνων στον αναπτυσσόμενο μετωπιαίο λοβό του νεοφλοιού στους σύγχρονους ανθρώπους από τους Νεάντερταλ. Μόνο ένας μικρός αριθμός πρωτεϊνών έχει διαφορές στην αλληλουχία των αμινοξέων τους –τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών– μεταξύ των σύγχρονων ανθρώπων και των εξαφανισμένων συγγενών μας, των Νεάντερταλ και των Ντενίσοβαν. Η βιολογική σημασία αυτών των διαφορών για την ανάπτυξη του σύγχρονου ανθρώπινου εγκεφάλου είναι σε μεγάλο βαθμό άγνωστη.
Στην πραγματικότητα, τόσο οι σύγχρονοι άνθρωποι όσο και οι Νεάντερταλ διαθέτουν εγκέφαλο, και κυρίως νεοφλοιό, παρόμοιου μεγέθους, αλλά το αν αυτό το παρόμοιο μέγεθος νεοφλοιού συνεπάγεται παρόμοιο αριθμό νευρώνων παραμένει ασαφές. Η τελευταία μελέτη της ερευνητικής ομάδας του Wieland Huttner, ενός από τους ιδρυτικούς διευθυντές του Ινστιτούτου Μοριακής Κυτταρικής Βιολογίας και Γενετικής Max Planck (MPI-CBG) στη Δρέσδη, που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με τον Svante Pääbo, διευθυντή του Ινστιτούτου Max Planck για Η Evolutionary Anthropology στη Λειψία, και η Pauline Wimberger του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου της Δρέσδης και οι συνάδελφοί τους, απευθύνονται ακριβώς σε αυτό το ερώτημα.
Οι ερευνητές επικεντρώνονται σε μία από αυτές τις πρωτεΐνες που παρουσιάζει μια μόνο αλλαγή αμινοξέος σε όλους ουσιαστικά τους σύγχρονους ανθρώπους σε σύγκριση με τους Νεάντερταλ, την πρωτεΐνη που μοιάζει με τρανσκετολάση 1 (TKTL1). Συγκεκριμένα, στους σύγχρονους ανθρώπους το TKTL1 περιέχει μια αργινίνη στην εν λόγω θέση αλληλουχίας, ενώ στον TKTL1 του Νεάντερταλ είναι το σχετικό αμινοξύ λυσίνη. Στον ανθρώπινο νεοφλοιό του εμβρύου, το TKTL1 βρίσκεται σε νεοφλοιώδη προγονικά κύτταρα, τα κύτταρα από τα οποία προέρχονται όλοι οι νευρώνες του φλοιού. Συγκεκριμένα, το επίπεδο του TKTL1 είναι υψηλότερο στα προγονικά κύτταρα του μετωπιαίου λοβού. Ο σύγχρονος ανθρώπινος TKTL1, αλλά όχι ο TKTL1 του Νεάντερταλ, οδηγεί σε περισσότερους νευρώνες στον εμβρυϊκό νεοφλοιό ποντικού.
Η Anneline Pinson, η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και ερευνήτρια στην ομάδα του Wieland Huttner, ξεκίνησε να διερευνήσει τη σημασία αυτής της αλλαγής ενός αμινοξέος για την ανάπτυξη του νεοφλοιού. Η Anneline και οι συνεργάτες της εισήγαγαν είτε τον σύγχρονο άνθρωπο είτε την παραλλαγή του Νεάντερταλ του TKTL1 στον νεοφλοιό των εμβρύων ποντικών. Παρατήρησαν ότι τα βασικά ακτινογλοιακά κύτταρα, ο τύπος των νεοφλοιωδών προγόνων που πιστεύεται ότι είναι η κινητήρια δύναμη για έναν μεγαλύτερο εγκέφαλο, αυξήθηκαν με τη σύγχρονη ανθρώπινη παραλλαγή του TKTL1 αλλά όχι με την παραλλαγή του Νεάντερταλ. Ως αποτέλεσμα, οι εγκέφαλοι εμβρύων ποντικιών με το σύγχρονο ανθρώπινο TKTL1 περιείχαν περισσότερους νευρώνες.
Περισσότεροι νευρώνες στον μετωπιαίο λοβό των σύγχρονων ανθρώπων. Μετά από αυτό, οι ερευνητές διερεύνησαν τη σημασία αυτών των επιπτώσεων για την ανάπτυξη του ανθρώπινου εγκεφάλου. Για το σκοπό αυτό, αντικατέστησαν την αργινίνη στο σύγχρονο ανθρώπινο TKTL1 με τη λυσίνη που είναι χαρακτηριστικό του Νεάντερταλ TKTL1, χρησιμοποιώντας οργανοειδή ανθρώπινου εγκεφάλου – μικροσκοπικές δομές που μοιάζουν με όργανα που μπορούν να αναπτυχθούν από ανθρώπινα βλαστοκύτταρα σε πιάτα κυτταροκαλλιέργειας στο εργαστήριο και που μιμούνται πτυχές του πρώιμη ανάπτυξη του ανθρώπινου εγκεφάλου. Αυτό δείχνει έναν νευρώνα Μικροσκοπική εικόνα ενός διαιρεμένου βασικού ακτινογλοιακού κυττάρου, ενός προγονικού τύπου κυττάρου που δημιουργεί νευρώνες κατά την ανάπτυξη του εγκεφάλου.
Ο σύγχρονος ανθρώπινος TKTL1, αλλά όχι ο TKTL1 του Νεάντερταλ, αυξάνει την αφθονία της βασικής ακτινικής γλοίας και των νευρώνων. «Βρήκαμε ότι με το αμινοξύ τύπου Νεάντερταλ στο TKTL1, παρήχθησαν λιγότερα βασικά ακτινογλοιακά κύτταρα απ’ ό,τι με το σύγχρονο ανθρώπινου τύπου και, κατά συνέπεια, επίσης λιγότεροι νευρώνες», λέει η Anneline Pinson. «Αυτό μας δείχνει ότι παρόλο που δεν γνωρίζουμε πόσους νευρώνες είχε ο εγκέφαλος του Νεάντερταλ, μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι σύγχρονοι άνθρωποι έχουν περισσότερους νευρώνες στον μετωπιαίο λοβό του εγκεφάλου, όπου η δραστηριότητα TKTL1 είναι υψηλότερη, από τους Νεάντερταλ». Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι ο σύγχρονος ανθρώπινος TKTL1 δρα μέσω αλλαγών στο μεταβολισμό, συγκεκριμένα μιας διέγερσης της οδού της φωσφορικής πεντόζης που ακολουθείται από αυξημένη λιπαρή σύνθεση οξέος.