Los humanos modernos generan más neuronas cerebrales que los neandertales  

Debido al cambio de un solo aminoácido, la evolución del cerebro ha procedido de manera diferente.

9. Septiembre 2022

Si bien tanto los neandertales como los humanos modernos desarrollan cerebros de tamaño similar, se sabe muy poco sobre si los cerebros humanos y neandertales modernos pueden haber diferido en términos de su producción de neuronas durante el desarrollo. Investigadores del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética (MPI-CBG) en Dresde ahora muestran que la variante humana moderna de la proteína TKTL1, que difiere en un solo aminoácido de la variante neandertal, aumenta un tipo de células progenitoras cerebrales, llamadas glía radial basal, en el cerebro humano moderno.

Las células gliales radiales basales generan la mayoría de las neuronas en el neocórtex en desarrollo, una parte del cerebro que es crucial para muchas habilidades cognitivas. Como la actividad de TKTL1 es particularmente alta en el lóbulo frontal del cerebro humano fetal, los investigadores concluyen que esta única sustitución de aminoácidos específicos para humanos en TKTL1 subyace a una mayor producción de neuronas en el lóbulo frontal en desarrollo de la neocorteza en humanos modernos que en neandertales.

Solo un pequeño número de proteínas tienen diferencias en la secuencia de sus aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, entre los humanos modernos y nuestros parientes extintos, los neandertales y los denisovanos. La importancia biológica de estas diferencias para el desarrollo del cerebro humano moderno es en gran parte desconocida. De hecho, tanto los humanos modernos como los neandertales, cuentan con un cerebro, y en particular un neocórtex, de tamaño similar, pero no está claro si este tamaño similar de neocorteza implica un número similar de neuronas.

El último estudio del grupo de investigación de Wieland Huttner, uno de los directores fundadores del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética (MPI-CBG) en Dresde, realizado en colaboración con Svante Pääbo, director del Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva de Leipzig, y Pauline Wimberger del Hospital Universitario de Dresde y sus colegas, aborda precisamente esta pregunta.

Los investigadores se centran en una de estas proteínas que presenta un solo cambio de aminoácidos en esencialmente todos los humanos modernos en comparación con los neandertales, la proteína transcetolasa similar 1 (TKTL1). Específicamente, en los humanos modernos TKTL1 contiene una arginina en la posición de secuencia en cuestión, mientras que en Neandertal TKTL1 es el aminoácido relacionado lisina. En el neocórtex humano fetal, TKTL1 se encuentra en las células progenitoras neocorticales, las células de las que derivan todas las neuronas corticales. En particular, el nivel de TKTL1 es más alto en las células progenitoras del lóbulo frontal.



Imagen microscopía de una célula glial radial basal en división, un tipo de célula progenitora que genera neuronas durante el desarrollo del cerebro. El TKTL1 humano moderno, pero no el TKTL1 neandertal, aumenta la glía radial basal y la abundancia de neuronas.


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Imagen microscopía de una célula glial radial basal en división, un tipo de célula progenitora que genera neuronas durante el desarrollo del cerebro. El TKTL1 humano moderno, pero no el TKTL1 neandertal, aumenta la glía radial basal y la abundancia de neuronas.


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Anneline Pinson, autora principal del estudio e investigadora del grupo de Wieland Huttner, se propuso investigar la importancia de este cambio de aminoácidos para el desarrollo de la neocorteza. Anneline y sus colegas introdujeron la variante humana moderna o neandertal de TKTL1 en el neocórtex de embriones de ratón. Observaron que las células gliales radiales basales, el tipo de progenitores neocorticales que se cree que son la fuerza impulsora de un cerebro más grande, aumentaron con la variante humana moderna de TKTL1, pero no con la variante neandertal. Como consecuencia, los cerebros de embriones de ratón con el TKTL1 humano moderno contenían más neuronas

Después de esto, los investigadores exploraron la relevancia de estos efectos para el desarrollo del cerebro humano. Con este fin, reemplazaron la arginina en el TKTL1 humano moderno con la característica de lisina del Neandertal TKTL1, utilizando organoides cerebrales humanos, estructuras en miniatura similares a órganos que se pueden cultivar a partir de células madre humanas en platos de cultivo celular en el laboratorio y que imitan aspectos del desarrollo temprano del cerebro humano.

"Encontramos que con el aminoácido de tipo neandertal en TKTL1, se produjeron menos células gliales radiales basales que con el tipo humano moderno y, como consecuencia, también menos neuronas", dice Anneline Pinson. "Esto nos muestra que a pesar de que no sabemos cuántas neuronas tenía el cerebro neandertal, podemos suponer que los humanos modernos tienen más neuronas en el lóbulo frontal del cerebro, donde la actividad de TKTL1 es más alta, que los neandertales".

Cambios en el metabolismo

Los investigadores también encontraron que el TKTL1 humano moderno actúa a través de cambios en el metabolismo, específicamente una estimulación de la vía de la pentosa fosfato seguida de una mayor síntesis de ácidos grasos. De esta manera, se cree que el TKTL1 humano moderno aumenta la síntesis de ciertos lípidos de membrana necesarios para generar el largo proceso de células gliales radiales basales que estimula su proliferación y, por lo tanto, para aumentar la producción de neuronas.

"Sobre la base de estos resultados, se puede suponer que la formación de neuronas en la neocorteza durante el desarrollo fetal es mayor en los humanos modernos que en los neandertales, principalmente en el lóbulo frontal", resume Wieland Huttner, quien dirigió el estudio. "Es bastante concebible que esto haya promovido las capacidades cognitivas de los humanos modernos, que se basan en el lóbulo frontal".