是什么讓現(xiàn)代人類獨一無二，這個問題長期以來一直是研究人員的驅動力。因此，與我們最親近的親戚尼安德特人進行比較，提供了引人入勝的見解。大腦大小的增加，以及大腦發(fā)育過程中神經(jīng)元的產(chǎn)生，被認為是人類進化過程中認知能力增加的主要因素。然而，雖然尼安德特人和現(xiàn)代人類都發(fā)育出類似大小的大腦，但對于現(xiàn)代人和尼安德特人的大腦在發(fā)育過程中的神經(jīng)元產(chǎn)生是否可能有所不同知之甚少。
來自德累斯頓馬克斯普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所(MPI-CBG)的研究人員現(xiàn)在表明，蛋白質TKTL1的現(xiàn)代人類變體(與尼安德特人變體僅有一個氨基酸不同)增加了現(xiàn)代人大腦中一種類型的腦祖細胞，稱為基底橈側神經(jīng)膠質細胞。基底橈神經(jīng)膠質細胞在發(fā)育中的新皮層中產(chǎn)生大多數(shù)神經(jīng)元，新皮層是大腦中對許多認知能力至關重要的一部分。由于TKTL1在胎兒人腦額葉中的活性特別高，研究人員得出結論，TKTL1中的這種單一人類特異性氨基酸取代是現(xiàn)代人類新皮層發(fā)育中額葉中神經(jīng)元產(chǎn)生比尼安德特人更大的基礎。
只有少數(shù)蛋白質在現(xiàn)代人類和我們已滅絕的親戚尼安德特人和丹尼索瓦人之間的氨基酸(蛋白質的構建塊)的序列上存在差異。這些差異對現(xiàn)代人類大腦發(fā)育的生物學意義在很大程度上是未知的。事實上，現(xiàn)代人類和尼安德特人都有一個大腦，特別是一個大小相似的新皮層，但這種相似的新皮層大小是否意味著相似數(shù)量的神經(jīng)元仍然不清楚。
位于德累斯頓的馬克斯·普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所(MPI-CBG)創(chuàng)始所長之一維蘭德·哈特納研究小組的最新研究與萊比錫馬克斯普朗克進化人類學研究所所長斯萬特·派博(Svante Pääbo)和德累斯頓大學醫(yī)院的波琳·溫伯格及其同事合作進行， 只解決了這個問題。
研究人員專注于這些蛋白質中的一種，與尼安德特人相比，幾乎所有現(xiàn)代人都存在單一氨基酸變化，即蛋白質轉酮醇酶樣1(TKTL1)。具體來說，在現(xiàn)代人類中，TKTL1在所討論的序列位置含有精氨酸，而在尼安德特人TKTL1中，它是相關的氨基酸賴氨酸。在胎兒人新皮層中，TKTL1存在于新皮質祖細胞中，所有皮質神經(jīng)元都從中衍生出來。值得注意的是，TKTL1的水平在額葉的祖細胞中最高。
現(xiàn)代人類TKTL1，但不是尼安德特人TKTL1，導致胚胎小鼠新皮層中有更多的神經(jīng)元
安妮琳·平森(Anneline Pinson)是該研究的主要作者，也是維蘭德·赫特納小組的研究員，她著手研究這種氨基酸變化對新皮層發(fā)育的意義。安妮琳和她的同事們將TKTL1的現(xiàn)代人類或尼安德特人變體引入小鼠胚胎的新皮層。
他們觀察到，基底橈側神經(jīng)膠質細胞，被認為是更大大腦的驅動力的新皮質祖細胞，隨著TKTL1的現(xiàn)代人類變體而增加，而不是尼安德特人的變體。因此，具有現(xiàn)代人類TKTL1的小鼠胚胎的大腦包含更多的神經(jīng)元。
現(xiàn)代人類額葉中更多的神經(jīng)元
在此之后，研究人員探索了這些影響與人類大腦發(fā)育的相關性。為此，他們用尼安德特人TKTL1的賴氨酸特性取代了現(xiàn)代人類TKTL1中的精氨酸，使用人腦類器官 - 微型器官樣結構，可以從實驗室細胞培養(yǎng)皿中的人類干細胞中生長出來，并且模仿早期人類大腦發(fā)育的各個方面。
“我們發(fā)現(xiàn)，使用TKTL1中的尼安德特型氨基酸，產(chǎn)生的基底橈神經(jīng)膠質細胞比現(xiàn)代人型少，因此神經(jīng)元也更少，”Anneline Pinson說。“這向我們表明，即使我們不知道尼安德特人的大腦有多少神經(jīng)元，我們也可以假設現(xiàn)代人類在大腦額葉中比尼安德特人有更多的神經(jīng)元，其中TKTL1活動最高。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人TKTL1通過新陳代謝的變化起作用，特別是刺激戊糖磷酸途徑，然后增加脂肪酸合成。通過這種方式，現(xiàn)代人TKTL1被認為可以增加某些膜脂質的合成，這些脂質是產(chǎn)生刺激其增殖的基底橈根膠質細胞的漫長過程，從而增加神經(jīng)元的產(chǎn)生。
“這項研究意味著，現(xiàn)代人類在胎兒發(fā)育過程中新皮層神經(jīng)元的產(chǎn)生比尼安德特人更大，特別是在額葉中，”監(jiān)督這項研究的Wieland Huttner總結道。“人們很容易推測，這促進了與額葉相關的現(xiàn)代人類認知能力。
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