Sinaunang Gene na CCNB1IP1 Iniugnay sa Paglaki at Pagkakaroon ng mga Tiklop ng Utak ng mga Primate

Sinaunang gene na nagbabago ang papel sa pag-unlad ng utak

Nakatulong ang isang titik ng DNA sa isang regulatory sequence upang mapataas ang aktibidad ng sinaunang gene sa mga eksperimento na sumusuri kung paano lumaki at nagkaroon ng mas maraming tiklop ang utak ng mga primate. Tinukoy ng mga mananaliksik na pinamunuan ni Shi Lei ng Kunming Institute of Zoology ng Chinese Academy of Sciences ang CCNB1IP1 bilang isa sa mga salik sa prosesong ito, na nag-uugnay sa mga pagbabago sa regulasyon ng gene at sa mas mabilis na paglaki ng mga selulang lumilikha ng mga neuron.

Nalaman ng pangkat, kasama ang mga internasyonal na katuwang, na mas mataas ang ekspresyon ng CCNB1IP1 sa mga macaque kaysa sa mga tree shrew at marmoset, at pinakamataas ito sa mga tao. Pagkatapos, tinukoy sa mga eksperimento ang posibleng ugnayang sanhi-bunga: pinataas ng mas malakas na aktibidad ng regulasyon ang ekspresyon ng gene, pinabilis ng gene ang bahagi ng siklo ng paghahati ng selula, at mas mabilis na dumami ang mga neural progenitor cell. Nagkaroon ng mga tiklop sa normal na makinis na cerebral cortex ng ilang binagong henetikong daga.

Ang mga natuklasan, na inilathala sa Nature Genetics, ay nagpapalawak sa paliwanag tungkol sa ebolusyon ng utak na madalas nakatuon sa mga gene na bagong lumitaw sa angkan ng tao. Mas matandang gene ang CCNB1IP1 na matatagpuan sa iba’t ibang mammal. Ipinahihiwatig ng pananaliksik na maaari ring makatulong sa unti-unting paglaki ng neocortex ng mga primate ang pagbabago sa kung kailan at gaano kalakas gumagana ang ganitong gene.

Mahalaga ang pagkakaibang ito. Hindi kailangang unang lumitaw ang isang gene upang magkaroon ito ng mas malaking papel sa pag-unlad. Maaaring baguhin ng mga pagbabago sa kalapit na DNA na kumokontrol sa aktibidad nito kung gaano karami ng protina nito ang ginagawa ng isang selula, na may epekto sa dami at uri ng mga selulang nalilikha habang umuunlad ang utak.

Paghahambing sa umuunlad na utak ng limang species

Inihambing ng mga mananaliksik ang transcriptomic data mula sa iba’t ibang suson ng embryonic cerebral cortex ng mga daga, tree shrew, marmoset, macaque at tao. Sinusukat sa transcriptomic analysis ang RNA na nalilikha ng mga aktibong gene, kaya naihahambing ng mga mananaliksik ang mga padron ng ekspresyon ng gene sa iba’t ibang tisyu at species.

Ginamit ang mga tree shrew bilang outgroup, o malapit na kamag-anak na hindi kabilang sa grupo ng mga primate, upang makatulong sa pagsisiyasat kung aling mga katangian ang maaaring umiral na bago ang ebolusyon ng mga primate. Aktibo na ang CCNB1IP1 sa utak ng mga tree shrew, na sumusuporta sa konklusyong hindi lamang sa tao o maging sa mga primate nagmula ang ekspresyon nito sa utak.

Hindi pantay-pantay ang pagtaas ng padron sa bawat species. Magkakahawig ang ekspresyon sa mga marmoset, na karaniwang makinis ang cortex, at sa mga tree shrew. Mas mataas ang ekspresyon sa mga macaque, na may mga tiklop ang cortex, at pinakamataas ito sa mga tao. Natuklasan din ng mga mananaliksik ang positibong ugnayan ng ekspresyon sa bigat ng utak at antas ng pagkakatiklop ng cortex.

Inilarawan ni Shi Lei, ang mananaliksik na namuno sa pangkat sa Kunming Institute of Zoology, ang ugnayan ng aktibidad ng gene at estruktura ng utak:

Malapit ang ugnayan ng antas ng ekspresyon ng sinaunang gene na ito sa antas ng pagkakatiklop ng cortex,

Ipinakikita ng mga paghahambing na ito ang padron sa ebolusyon, ngunit hindi sapat ang ugnayan lamang upang patunayang sanhi ng mas malaki o mas maraming tiklop na cortex ang mas mataas na aktibidad ng gene. Kaya mula sa paghahambing ng mga species ay nagpatuloy ang pag-aaral sa pagbabago ng regulatory DNA at pagsubok sa gene sa mga umuunlad na selula at daga.

Bakit mahalaga ang mga selulang lumilikha ng neuron

Nakatuon ang pag-aaral sa mga neural progenitor, mga murang selulang naghahati at lumilikha ng mga neuron. Sa cortex ng daga, na karaniwang nananatiling makinis, pangunahing nagmumula ang mga neuron sa mga apical progenitor sa ventricular zone, isang rehiyon sa panahon ng pag-unlad na katabi ng mga puwang na naglalaman ng likido sa utak.

Sa mga primate, mas malaki ang isa pang rehiyong tinatawag na subventricular zone. Naglalaman ito ng mga basal progenitor, mga selulang kayang paramihin ang sarili nilang populasyon at lumikha ng karagdagang mga neuron. Isang paraan upang lumaki ang umuunlad na cortex ang pagpapalaki sa populasyong ito.

Iniugnay sa pag-aaral ang mas mataas na ekspresyon ng CCNB1IP1 sa pagdami ng mga basal progenitor at pagtaas ng produksiyon ng mga neuron. Nagbibigay ito ng paliwanag sa antas ng selula para sa ugnayang nakita sa iba’t ibang species: maaaring baguhin ng pagbabago sa aktibidad ng gene ang suplay ng mga selulang magagamit sa pagbuo ng cortex.

Magkaugnay ang paglaki at pagkakaroon ng mga tiklop, ngunit hindi magkapareho ang mga ito. Dahil sa mga tiklop, nagkakasya sa loob ng bungo ang mas malaking ibabaw ng cortex. Sinuri ng pag-aaral kung paano maaaring mag-ambag ang pagbabagong molekular sa paglaki at pagkakatiklop ng tisyu, ngunit hindi nito pinatunayan na ang gene lamang na ito ang nagtatakda sa alinman sa mga katangiang ito.

Gumaganap na regulatory switch ang CRE1

Tinukoy ng mga mananaliksik ang isang regulatory sequence na tinatawag na CRE1 na tumutulong magpataas ng ekspresyon ng CCNB1IP1. Isa itong cis regulatory element, o bahagi ng DNA na nakaaapekto sa aktibidad ng gene na nasa kaparehong molekula ng DNA, sa halip na mag-encode mismo ng protina.

Ipinakita ng mga paghahambing sa isang pangunahing bahagi ng sequence na unti-unting lumalakas ang aktibidad nito sa regulasyon mula sa mga tree shrew, patungo sa mga unggoy at bakulaw, hanggang sa mga tao. Kaayon ng padron na ito ang pangkalahatang pagtaas ng ekspresyon ng CCNB1IP1, kaya napunta ang pansin sa mga kumokontrol sa gene sa halip na sa pag-iral lamang nito.

Lalong naging mahalaga ang isang posisyon sa pangunahing sequence. Taglay ng sequence ng tao ang baseng G ng DNA, samantalang A ang taglay ng mga chimpanzee at iba pang primate. Nabawasan ang aktibidad nito sa regulasyon nang palitan ng A ang G sa sequence ng tao. Tumaas naman ang aktibidad nang gawin ang kabaligtarang pagpapalit sa sequence ng chimpanzee.

Nagbigay ng ebidensiya ang magkasalungat na eksperimentong ito na nakaapekto sa paggana ng sequence ang pagkakaiba ng iisang base. Ipinahiwatig ng mga prediksiyon at pagpapatunay sa mga eksperimento na binago ng pagbabago ang pagkakabit ng dalawang transcription factor, mga protinang dumidikit sa DNA at tumutulong kumontrol sa aktibidad ng gene.

Nabawasan din ang ekspresyon ng CCNB1IP1 nang burahin ang buong regulatory sequence sa pamamagitan ng gene editing. Sama-samang sinusuportahan ng mga eksperimento sa pagpapalit at pagbura ang papel ng CRE1 sa pagkontrol kung gaano kalakas nae-ekspres ang gene. Hindi pinatutunayan ng mga ito na naipapaliwanag ng iisang pagbabago sa DNA ng tao ang lahat ng pagkakaiba sa regulasyon na naipon sa ebolusyon ng mga primate.

Paano pinabibilis ng CCNB1IP1 ang siklo ng selula

Ini-encode ng CCNB1IP1 ang isang ubiquitin ligase, isang enzyme na naglalagay ng mga ubiquitin tag sa mga target na protina. Maaaring magturo ang ganitong mga tag sa makinarya ng selula na nag-aalis ng mga protina upang sirain ang mga ito. Natuklasan dito ng mga mananaliksik na itinataguyod ng CCNB1IP1 ang pagkasira ng isang transcription factor na sangkot sa pagkontrol sa siklo ng selula.

Ang naging epekto nito ay pag-ikli ng yugto ng G1 sa mga neural progenitor. Ang G1 ang panahong lumalaki ang selula at naghahanda bago kopyahin ang DNA nito. Maaaring mas mabilis na makausad sa siklo ng paghahati ang mga progenitor cell kapag umikli ang panahong ito.

Partikular na inilalarawan sa preprint ng pag-aaral sa CCNB1IP1 ng mga may-akda, na inilathala noong Disyembre 9, 2024, ang pagdami ng mga neural progenitor sa pamamagitan ng pag-ikli ng G1. Iniuugnay sa abstrak nito ang mekanismong ito sa ebolusyonaryong pagtaas ng ekspresyon ng gene at sa mga katangiang may kaugnayan sa pagkatuto at memorya sa modelo ng daga.

Samakatuwid, mas tiyak ang iminungkahing pagkakasunod-sunod ng mga pangyayari kaysa sa simpleng ugnayan ng isang gene at laki ng utak. Itinataguyod ng pagtaas ng aktibidad ng CCNB1IP1 ang pagkasira ng isang kumokontrol sa siklo ng selula, pinaikli nito ang yugtong paghahanda sa paghahati at pinarami ang mga progenitor. Pagkatapos, maaari pang lumikha ng mas maraming neuron ang mas maraming progenitor, na posibleng magbigay ng mekanismo para sa paglaki ng cortex.

Nagkaroon ng mga tiklop sa cortex ng ilang binagong daga

Upang subukan kung kaya ng gene na baguhin ang pag-unlad ng utak sa isang hayop, lumikha ang pangkat ng mga daga na nag-ekspres ng bersiyon ng tao ng CCNB1IP1 sa mga neural progenitor cell gamit ang kondisyunal na knock in na pamamaraan. Ipinapasok nito ang gene sa genome habang kinokontrol kung sa aling mga selula ito nagiging aktibo.

Nagkaroon ng mga estruktura ng tiklop sa cortex ng ilan sa mga dagang ito, kahit karaniwang makinis ang cortex ng daga. Naobserbahan din ng mga mananaliksik ang pagtaas ng lokal na gyrification index, isang panukat sa pagkakatiklop, at mas maraming neuron sa mga panlabas na suson ng cortex.

Mahalagang pag-ibahin ang ilang hayop at lahat ng hayop. Ipinakikita ng mga natuklasan na maaaring lumikha ng mga tiklop ang interbensiyon sa ilalim ng mga kondisyong pang-eksperimento, hindi na nagkaroon ng gayong anatomiya ang bawat binagong daga o naging katumbas ng utak ng primate ang utak nito.

Nagbibigay rin ng dagdag na impormasyon ang pagdami ng mga neuron sa panlabas na suson, bukod pa sa nakikitang mga tiklop. Iniuugnay nito ang resulta sa anatomiya sa pagbabago ng produksiyon ng mga neuron, na kaayon ng mga naunang eksperimento sa pagdami ng mga progenitor. Sama-samang pinatitibay ng mga resultang ito ang palagay na maaaring makaapekto ang CCNB1IP1 sa pag-unlad ng cortex, sa halip na magsilbi lamang na palatandaan ng pagkakaiba ng mga species.

Kailangang maingat na bigyang-kahulugan ang mga resulta sa pagkatuto at memorya

Sinusuportahan ng mga paglalarawang ito ang pagkakaroon ng epekto sa asal, ngunit magkaiba ang diin ng mga ito. Kung walang mga numerikal na marka, laki ng mga sampol o detalyadong paglalarawan ng bawat gawain dito, hindi masusuri ang tindi at lawak ng iniulat na pagbuti. Hindi patunay na nagkaroon ang mga hayop ng kakayahang kognitibo ng tao ang mas mahusay na pagganap sa piling pagsusuri sa mga daga.

Hindi katalinuhan ang itinatakda ng pagkakatiklop ng cortex lamang. Iniuugnay sa pag-aaral ang regulasyon ng gene, pagdami ng mga selula, anatomiya at asal, ngunit hindi nito naihihiwalay kung aling pagbabago sa pag-unlad ang naging sanhi ng pagkakaiba sa asal. Kailangan pa ng pananaliksik sa mga koneksiyon ng neuron at paggana ng mga binagong sirkito upang matukoy ito.

Umuunlad na paliwanag at iskedyul ng publikasyon

Idinadagdag ng pananaliksik ang isang sinaunang gene sa mga mekanismong isinasaalang-alang sa ebolusyon ng cortex ng mga primate. Hindi nito pinawawalang-bisa ang mga natuklasan tungkol sa mga gene na natatangi sa tao. Sa halip, sinusuportahan nito ang paliwanag na kapwa maaaring mag-ambag ang mga bagong ebolusyonaryong gene at ang mga pagbabago sa regulasyon ng mas matatandang gene.

Kaayon ng paghahambing ang pagkakaibang ito. Naganap ang paglaki ng cortex sa iba’t ibang angkan ng mga primate, hindi lamang matapos lumitaw ang angkan ng tao. Nagbibigay ng paraan upang siyasatin ang mas malawak na padron na ito ang sistemang regulasyon na magkakaiba ang aktibidad sa mga tree shrew, unggoy, bakulaw at tao.

Inihihiwalay din ng tala ng publikasyon ang unang manuskrito sa sumunod na paglalathala nito sa journal:

• Disyembre 9, 2024: Inilathala ang preprint na may DOI 10.1101/2024.12.08.627376. Hindi pa ito dumaan sa peer review.
• Sumunod na publikasyon: Itinatala sa pahina ng preprint na inilathala kalaunan sa Nature Genetics ang bersiyong sinuri ng mga kapwa eksperto.

Hindi dapat ipagkamali ang katayuan ng preprint noong una itong inilathala at ang katayuan ng sumunod na artikulo sa journal. Sinasabi ng pangunahing pahayag nito na maaaring nakatulong sa unti-unting ebolusyon ng utak ng mga primate ang mga pagbabago sa ekspresyon ng CCNB1IP1, isang mas makitid na konklusyon kaysa pagtukoy sa iisang sanhi ng katalinuhan ng tao.

Ano pa ang kailangang matukoy

May ilang tanong pang hindi nasasagot. Kailangan pang subukan sa panahon ng pag-unlad ng cortex ng mga primate ang mga sanhi-bungang papel ng mga transcription factor na iniugnay sa CRE1. Kailangan ding masusing siyasatin ang mga epekto ng CCNB1IP1 sa mga koneksiyon ng neuron at partikular na mga kakayahang kognitibo.

Maaaring magbigay ng mga pahiwatig ang mga natuklasan para sa pananaliksik sa mga karamdaman sa pag-unlad ng nervous system dahil natukoy nila ang mekanismong nakaaapekto sa paghahati ng mga progenitor at produksiyon ng mga neuron. Direksiyon ito ng pananaliksik, hindi katibayan ng paggamot, pagsusuring diagnostic o napatunayang papel sa isang partikular na karamdaman.

Walang inihayag na petsa ng susunod na eksperimento o takdang panahon para sa klinikal na aplikasyon sa mga ulat na ito. Ang agarang ambag ng pag-aaral ay ang kadena ng ebidensiyang nag-uugnay sa regulatory DNA, ekspresyon ng gene, paghahati ng selula at anatomiya ng cortex. Kailangan pang matukoy kung gaano kalaki ang naging ambag ng mekanismong ito sa mga pagkakaiba ng partikular na mga species ng primate.

Mahahalagang Punto

• Magkakahawig ang ekspresyon sa mga tree shrew at marmoset, mas mataas ito sa mga macaque at pinakamataas sa mga tao.
• Kumokontrol sa ekspresyon ang regulatory sequence na CRE1, at nakaapekto sa aktibidad nito sa mga eksperimento ang pagkakaiba ng A at G.
• Pinaikli ng CCNB1IP1 ang yugto ng G1 ng mga neural progenitor at pinarami ang mga ito.
• Nagkaroon ng mga tiklop sa cortex ng ilang binagong daga at dumami ang mga neuron sa panlabas na suson.
• Iniulat ang mga epekto sa pagkatuto at memorya, ngunit hindi katalinuhan ang itinatakda ng pagkakatiklop lamang.
• Nauna ang preprint na inilathala noong Disyembre 2024 sa publikasyon sa Nature Genetics.