Utforska de unika generna bakom våra stora hjärnor
En grupp av gener som bara finns hos människor och som uppstod i våra förfäder för 3-4 miljoner år sedan kan ha drivit utvecklingen av våra större hjärnor.
Denna uppenbarelse - och arbetet som ledde fram till det - är föremål för två studier som nu rapporteras i tidskriften Cell.
En studie leddes av University of California (UC) Santa Cruz, och den andra leddes av Université Libre de Bruxelles i Belgien.
Resultaten stänger ett gap i vår kunskap om förändringarna som drivit utvecklingen av våra större hjärnor och gav oss förmågan att tänka och lösa problem.
Generna - med namnet NOTCH2NL - tillhör en mycket gammal familj som heter Notch som först identifierades i fruktflugor; de fick sitt namn för att de var kopplade till genetiska fel som gjorde att flugorna hade hackade vingar.
Hur NOTCH2NL ökar antalet neuroner
Notgener går tillbaka "hundratals miljoner år" och "spelar viktiga roller i embryonal utveckling", säger David Haussler, som är professor i biomolekylär teknik vid UC Santa Cruz och medförfattare till den första uppsatsen.
"Att hitta," fortsätter han, "att människor har en ny familjemedlem som är involverad i hjärnans utveckling är extremt spännande."
Forskarna fann att de endast mänskliga NOTCH2NL-generna verkar ha en nyckelroll i utvecklingen av den mänskliga cortexen, säte för avancerade kognitiva förmågor som resonemang och språk.
Generna uttrycks starkt i de neurala stamcellerna i cortex och fördröjer deras mognad till specifika celltyper.
Denna fördröjning resulterar i ackumulering av en större pool av stamceller, vilket i sin tur leder till att fler nervceller produceras under hjärnans utveckling.
Gener ökar signalering under utveckling
NOTCH2NL-gener är belägna på ett område av det mänskliga genomet - ”den långa armen av kromosom 1” - som har kopplats till flera neuroutvecklingssjukdomar såsom autism, mikrocefali, makrocefali och schizofreni.
Några av störningarna är kopplade till duplicering av stora delar av DNA, och andra är kopplade till raderingar. De är kända under sitt samlingsnamn "1q21.1 radering / dupliceringssyndrom."
Proteinerna kodade av Notch-genfamiljen handlar om signalering inuti celler och även mellan celler.
Många av dessa signaler styr stamcells öde - till exempel om de ska differentieras till hjärnceller eller hjärtceller - i många delar av kroppen.
Forskarna fann att NOTCH2NL-generna kodar för proteiner som "förstärker" Notch-signalering.
"Notch signalering", förklarar medförfattare för studien Dr Sofie R. Salama, som är forskare inom biomolekylär teknik vid UC Santa Cruz, "var redan känd för att vara viktig i utvecklingen av nervsystemet."
"NOTCH2NL verkar förstärka Notch-signalering, vilket leder till ökad spridning av neurala stamceller och fördröjd neural mognad", tillägger hon.
”DNA-kopieringsfel”
Dr Salama påpekar dock att generna bara är en del av en mycket större process som styr utvecklingen av den mänskliga hjärnbarken: de agerar inte i ett vakuum.
De spelade in vid en "provocerande tid i mänsklig utveckling." Hon och hennes kollegor tyckte också att det var intressant att generna är associerade med utvecklingsstörningar.
Det verkar som att de "DNA-kopieringsfel" som inträffade hos våra förfäder som gav upphov till NOTCH2NL-generna är av samma typ som de som ger upphov till neurologiska störningar vid 1q21.1-radering / dupliceringssyndrom.
Vanligtvis inträffar felen på platser på kromosomer som har långa DNA-sekvenser som är "nästan identiska."
"Dessa långa segment av DNA som är nästan identiska kan förvirra replikeringsmaskineriet och orsaka instabilitet i genomet", förklarar professor Haussler.
Paradoxalt nog verkar det som att gendupliceringsprocessen i kromosom 1-regionen som gav oss våra större hjärnor också kan vara ansvarig för att göra oss sårbara för 1q21.1-radering / dupliceringssyndrom.
Med hjälp av sekvenseringsverktyg hittade forskarna åtta versioner av NOTCH2NL hos dagens människor och de misstänker att det finns mer att upptäcka.
Varje NOTCH2NL-version varierar något i sekvenseringen av dess DNA, men till vilken effekt är det fortfarande ett mysterium.
Generna visade subtila skillnader när de testades i laboratorievuxna celler. Det finns dock fortfarande ”mycket mer arbete att göra” för att ta reda på vad dessa skillnader betyder, säger Dr. Salama.
"Vi har upptäckt att alla kan främja Notch-signalering."
Dr Sofie R. Salama
