Primatenspezifische Gene als Determinanten der Neokortexmorphologie

130 W I S S EN S CH AFT Evolution des Neokortex Primatenspezifische Gene als Determinanten der Neokortexmorphologie NESIL ESIYOK, LIDIIA TYNIANSKAIA, MICHAEL HEIDE DEUTSCHES PRIMATENZENTRUM, LEIBNIZ-INSTITUT FÜR PRIMATENFORSCHUNG, GÖTTINGEN The neocortex is the brain structure that is characteristic of all mammals. Primates in particular have a distinct neocortex, which is attributed to their high cognitive performances. However, there are significant differences in the morphology of the neocortex between different primate species. Here, we present an overview of primate neocortex development and the functional analysis of genes regulating the activity of cortical progenitor cells, which primarily underlie neocortex morphology. DOI: 10.1007/s12268-023-1903-1 © Die Autorinnen und Autoren 2023 ó Der Neokortex ist die Gehirnstruktur, die kennzeichnend für alle Säugetiere ist. Insbesondere Primaten besitzen einen ausgeprägten Neokortex, dem deren hohen kognitiven Leistungen zugesprochen werden. Jedoch gibt es gravierende Unterschiede in der Morphologie (Größe und Grad der Faltung) des Neokortex zwischen verschiedenen Primatenarten. So ist beispielsweise der Neokortex des Menschen ausgesprochen groß und stark gefaltet, wohingegen der Neokortex des Weißbüschelaffen klein und nahezu ungefal- tet ist. Es stellt sich somit die Frage, was das unterschiedliche Aussehen des Neokortex bestimmt. Im Grunde genommen wird dies durch die Anzahl an Neuronen bestimmt. Diese Zellen werden hauptsächlich während der fötalen Entwicklung von kortikalen Stamm- und Vorläuferzellen (NPCs, neural progenitor cells) gebildet (Abb. 1). Es sind also diese NPCs, die in erster Linie das Aussehen des Neokortex beeinflussen. Hierbei lassen sich verschiedene NPCs unterscheiden, die aufgrund ihrer Position innerhalb ˚ Abb. 1: Stamm- und Vorläuferzellen im sich entwickelnden Neokortex. Schematische Darstellung eines Schnitts durch den fötalen Neokortex. Die unterschiedlichen Stamm- und Vorläuferzellen werden innerhalb der kortikalen Wand von apikal nach basal gezeigt. des sich entwickelten Neokortex in apikale Vorläuferzellen (APs, apical progenitors) und basale Vorläuferzellen (BPs, basal progenitors) unterteilt werden können. Dabei befinden sich die Zellkörper der APs direkt am Ventrikel (apikal) in der Ventrikularzone (VZ), wohingegen sich die Zellkörper der BPs basal zur VZ in der Subventrikularzone (SVZ) befinden (Abb. 1, [1]). Diese Zellen teilen sich während der Entwicklung des Neokortex und produzieren unterschiedliche Tochterzellen. Diese Tochterzellen können entweder NPCs vom gleichen (proliferative Teilung) oder anderen Typ (differenzierende Teilung) sein, oder aber Neurone (differenzierende, neurogene Teilung). Diese Entscheidung zwischen proliferativer/differenzierender oder neurogener Zellteilung ist wichtig, um eine bestimmte Neuronenzahl zu erreichen. Somit ist die Regulation der Aktivität und des Verhaltens der NPCs ausschlaggebend für die Morphologie des Neokortex. Primatenspezifische, in kortikalen Vorläuferzellen bevorzugt exprimierte Gene Was reguliert nun die Aktivität und das Verhalten dieser Zellen? Ein wichtiger Faktor sind Gene, die in diesen Zellen exprimiert sind. Im Fall der NPCs als proliferierende Zellen würde man erwarten, dass diese Gene nicht oder nur sehr gering in den nicht proliferierenden Tochterzellen der NPCs, den Neuronen, exprimiert und somit spezifisch oder bevorzugt in NPCs zu detektieren sind. In einer früheren Studie in der Arbeitsgruppe von Wieland Huttner konnten wir solche Gene in menschlichen NPCs identifizieren [2]. Interessanterweise kommen 50 dieser Gene nur in Primaten vor und sind somit primatenspezifisch. Dabei sind diese Gene zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Primatenevolution entstanden und können demzufolge nur in bestimmten Primatenarten gefunden werden. Beispielsweise sind 15 dieser 50 Gene nur in Menschen auffindbar, sind nur im Menschen entstanden und damit menschenspezifisch [2]. Um zu überprüfen, ob diese 50 primatenspezifischen, in NPCs BIOspektrum | 02.23 | 29. Jahrgang 131 bevorzugt exprimierten Gene tatsächlich auch eine Rolle in der Regulation der Aktivität und des Verhaltens von NPCs haben, müssen sie in einem geeigneten Modell der kortikalen Entwicklung experimentell überprüft werden. Gehirnorganoide unterschiedlicher Primatenspezies als Modellsystem Idealerweise würde man diese Gene in den entsprechenden Primaten auf eine Rolle in NPCs hin untersuchen. Beispielsweise würde man die Funktion eines menschenspezifischen Gens im Schimpansen und im Menschen erforschen. Berechtigterweise sind solche Experimente in Menschenaffen nicht und in anderen Primaten (wie Rhesus- oder Weißbüschelaffen) aufgrund technischer und ethischer Beschränkungen nur eingeschränkt möglich. In den letzten Jahren wurde jedoch eine brauchbare Alternative für solche Experimente entwickelt, die Gehirnorganoide (Abb. 2, [3, 4]). Dabei handelt es sich um nur wenige Millimeter große dreidimensionale gewebeähnliche Strukturen, die aus embryonalen oder induzierten pluripotenten Stammzellen hergestellt werden. Diese Strukturen bilden – zu einem gewissen Grad und auf einen bestimmten Entwicklungszeitraum beschränkt – viele Eigenschaften des sich entwickelten Gehirns nach. Insbesondere die unterschiedlichen NPCs und deren relative Häufigkeit und Position innerhalb des Gewebes werden gut von Gehirnorganoiden reproduziert (Abb. 2). Generell können Gehirnorganoide von allen BIOspektrum | 02.23 | 29. Jahrgang Primatenarten hergestellt werden, für die pluripotente Stammzellen vorliegen. Eine weitere wichtige Eigenschaft dieses Modells ist die Möglichkeit, Organoide genetisch verändern zu können. Zumeist werden dabei stabile genetische Veränderungen durchgeführt, wobei die pluripotenten Stammzellen, aus welchen die Organoide hergestellt werden, genetisch verändert werden. Jedoch ist die stabile genetische Veränderung von pluripotenten Stammzellen recht zeit- und kostenintensiv, insbesondere wenn man die Funktion mehrerer Gene überprüfen möchte. Eine Alternative dazu, die besonders passend für solche Anwendungen ist, ist die Elektroporation von Gehirnorganoiden [4, 5]. Dazu mikroinjiziert man eine Lösung von Plasmiden, die das Kandidatengen exprimieren können, in die ventrikelähnlichen Strukturen von Gehirnorganoiden. Anschließend gibt man kurze Stromimpulse, um die Zellen (APs, siehe oben), die die ventrikelähnlichen Strukturen des Gehirnorganoids begrenzen, zu transfizieren (Abb. 2). Diese elektroporierten Zellen exprimieren anschließend das Kandidatengen und normalerweise ein fluoreszierendes Protein wie GFP, um elektroporierte Zellen zu identifizieren. Praktischerweise werden diese Plasmide von den elektroporierten Zellen an ihre Tochterzellen weitergegeben und man kann dadurch die Funktion des Kandidatengens nicht nur in APs, sondern auch in BPs und Neuronen studieren (Abb. 2, [5]). Wir haben diese Methode vor kurzem in einer Studie zusammen mit den Arbeitsgruppen von Wielan (...truncated)