Membuka Kunci Rahasia Otak Manusia: Apa yang membuat kita unik?

Sebuah studi tentang ekspresi gen di otak manusia menunjukkan bahwa tipe sel menjadi semakin terspesialisasi, daripada lebih banyak lebih banyak.

Otak manusia menonjol sebagai organ yang paling jelas memisahkan kita dari primata lain. Ukurannya luar biasa, kompleksitas, dan fungsionalitasnya melampaui yang lainnya jenis di dunia. Terlepas dari perbedaan ini, manusia berbagi lebih dari 95% genom mereka dengan simpanse, kerabat terdekat kita.

UC Santa Barbara professor Soojin Yi, from the Department of Ecology, Evolution, and Marine Biology, along with her doctoral student Dennis Joshy and collaborator Gabriel Santepere from the Hospital del Mar Medical Research Institute in Barcelona, ​​investigated how genes in various types of brain cells telah berevolusi dibandingkan dengan yang ada di simpanse.

Penelitian mereka mengungkapkan bahwa sementara gen gen manusia untuk protein yang hampir sama dengan kera lainnya, banyak gen manusia menunjukkan produktivitas yang jauh lebih tinggi daripada primata lainnya. Diterbitkan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasionaltemuan mereka menggarisbawahi peran penting dari ekspresi gen dalam evolusi dan fungsionalitas lanjutan otak manusia.

Menafsirkan Cetak Biru Alam

Setiap gen memberi tahu sel untuk membuat molekul tertentu, tetapi ini tidak dilakukan oleh DNA diri. Sebaliknya, informasi tersebut disampaikan ke mesin seluler oleh molekul yang disebut Messenger RNA. Para peneliti mengukur ekspresi gen dengan mengamati jumlah mRNA yang dihasilkan gen spesifik.

Ketika para ilmuwan mulai memahami peran genom sebagai cetak biru kehidupan, mereka berpikir mungkin genom manusia dapat menjelaskan sifat -sifat unik kita. Tetapi perbandingan menyeluruh dengan simpanse pada tahun 2005 mengungkapkan kami berbagi 99% persen gen kami (meskipun para ilmuwan telah merevisi angka ini). Ini mengkonfirmasi penelitian sebelumnya berdasarkan sejumlah kecil gen yang telah menyarankan hanya ada perbedaan kecil antara genom manusia dan simpanse.

Sekarang ahli biologi curiga bahwa ekspresi gen dapat mendasari perbedaan ini. Pertimbangkan kupu -kupu raja. Orang dewasa memiliki genom yang sama seperti ketika itu adalah ulat. Perbedaan luar biasa antara dua tahap kehidupan semuanya turun ke ekspresi gen. Menyalakan dan mematikan gen yang berbeda, atau memiliki kode untuk lebih atau kurang mRNA, dapat secara drastis mengubah sifat organisme.

Mendapatkan gambaran yang lebih jelas

Penelitian sebelumnya telah menemukan perbedaan dalam ekspresi gen antara manusia dan simpanse, dan bahwa sel -sel manusia cenderung memiliki ekspresi gen yang lebih tinggi, tetapi gambarnya buram. Otak terdiri dari banyak varietas sel. Secara tradisional, para ilmuwan mengatur sel -sel otak menjadi dua jenis utama: neuron dan sel glial. Neuron membawa sinyal elektrokimia, sedikit seperti kabel tembaga di gedung. Sel glial melakukan sebagian besar fungsi lain, seperti mengisolasi kabel, mendukung struktur, dan membersihkan puing -puing.

Sampai saat ini, para ilmuwan hanya dapat mempelajari sampel jaringan curah yang terdiri dari berbagai jenis sel. Tetapi dalam dekade terakhir, menjadi mungkin untuk menguji inti sel satu per satu. Ini memungkinkan para peneliti untuk membedakan antara jenis sel, dan seringkali bahkan subtipe.

Yi, Joshy, dan Santepere menggunakan set data yang dihasilkan dari perangkat dengan saluran yang sangat sempit untuk memisahkan setiap nukleus menjadi ruangnya sendiri dalam array. Kemudian mereka mengelompokkan sel berdasarkan jenis sebelum melakukan analisis statistik

Tim mengukur ekspresi gen dengan mengamati jumlah mRNA gen spesifik yang diproduksi pada manusia, simpanse, dan kera. Gen yang diregulasi menghasilkan lebih banyak mRNA pada spesies tertentu dibandingkan dengan yang lain, sedangkan gen yang diturunkan menghasilkan lebih sedikit. Membandingkan simpanse dan manusia dengan kera memungkinkan para peneliti untuk mengetahui kapan perbedaan antara kedua kera itu disebabkan oleh perubahan simpanse, perubahan pada manusia, atau keduanya.

Para penulis mencatat perbedaan dalam ekspresi sekitar 5-10% dari 25.000 gen dalam penelitian ini. Secara umum, sel manusia memiliki lebih banyak gen yang diregulasi dibandingkan dengan simpanse. Ini adalah persentase yang jauh lebih besar daripada yang ditemukan oleh para peneliti ketika mereka tidak dapat memecah analisis berdasarkan jenis sel. Dan persentase tumbuh menjadi 12-15% ketika penulis mulai mempertimbangkan subtipe sel.

“Sekarang kita dapat melihat bahwa jenis sel individu memiliki jalur evolusi mereka sendiri, menjadi sangat terspesialisasi,” kata Yi.

Bukan hanya neuron

Kerumitan jalur saraf kita tidak tertandingi di kerajaan hewan, namun, Yi menduga bahwa kecerdasan unik kita bukanlah hasil dari ini sendiri. Sel glial manusia menyumbang lebih dari setengah sel di otak kita, persentase yang jauh lebih besar daripada bahkan pada simpanse.

Di antara sel glial, oligodendrosit menunjukkan perbedaan terbesar dalam ekspresi gen. Sel -sel ini menciptakan isolasi yang melapisi neuron, memungkinkan sinyal listrik mereka untuk melakukan perjalanan lebih cepat dan efisien. Dalam sebuah studi kolaboratif yang diterbitkan tahun sebelumnya, tim mengamati bahwa manusia memiliki rasio prekursor versus oligodendrosit dewasa yang lebih tinggi dibandingkan dengan simpanse. Yi mencurigai ini mungkin berhubungan dengan plastisitas saraf yang luar biasa dan perkembangan otak manusia yang lambat.

“Meningkatnya kompleksitas jaringan saraf kami mungkin tidak berkembang sendirian,” kata Yi. “Itu tidak dapat muncul kecuali semua jenis sel lainnya juga berevolusi dan memungkinkan perluasan keragaman neuron, jumlah neuron, dan kompleksitas jaringan.”

Studi ini hanya mempertimbangkan sel -sel dari beberapa daerah otak; Namun, sel -sel di satu area otak mungkin berbeda dari rekan -rekan mereka di daerah lain. Yi berencana untuk mempelajari mekanisme di balik perbedaan dalam ekspresi gen dan bagaimana gen memetakan ke berbagai sifat.

Dia juga berencana untuk melacak ekspresi gen diferensial bahkan lebih awal dalam sejarah evolusi kami dengan menggabungkan garis dasar dari hewan yang bahkan lebih jauh. Dan dia tertarik mempelajari perbedaan genom antara kita dan manusia kuno lainnya, seperti Neanderthal dan Denisovans.

Evolusi lebih dari sekadar mengubah gen. “Ekspresi gen diferensial benar -benar bagaimana otak manusia berevolusi,” kata Yi.

Referensi: “Evolusi regulasi sel-tipe sel yang dipercepat dari otak manusia” oleh Dennis Joshy, Gabriel Santpere dan Soojin V. Yi, 16 Desember 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
Doi: 10.1073/pnas.2411918121