Brain Gene Tops the List for Making Humans, Human

Miksi ihmisillä on niin suuret aivot? Tämä evolutiivinen mysteeri on haastanut tiedemiehiä iät ja ajat, mutta jotkut tutkijat käyttävät vastauksen etsimiseen genetiikkaa, erityisesti niitä geenejä, jotka löytyvät vain Homo sapiensista.

ARHGAP11B, geeni, joka löytyy vain ihmisestä, tunnetaan roolistaan neokortexin, aivojen korkeammista kognitiivisista toiminnoista, kuten kielestä ja suunnittelusta, vastuussa olevan aivojen osan, laajentamisessa. Tänään Science-lehdessä julkaistussa uudessa tutkimuksessa yksityiskohtaisesti esitellyissä kokeissa tutkijat lisäsivät geenin marmosettien sikiöihin, jotka ovat ihmisen tavoin kädellisiä, mutta eivät kanna kyseistä geeniä. Tutkimusryhmä havaitsi, että 101 päivän kuluttua apinoiden kehittyvien aivojen neokorteksit olivat suuremmat ja kudoksessa oli enemmän poimuja kuin normaaleilla apinoiden sikiöillä, joilla ei ollut kyseistä geeniä.

Erityisten poimujen lisääminen tässä aivojen osassa on tärkeää, koska ne lisäävät aivosoluille eli neuroneille käytettävissä olevaa pinta-alaa ilman, että aivot kasvavat liian suuriksi kalloon nähden. Sen osoittaminen, että ihmisen geeni täyttää samanlaisen tehtävän toisen kädellisen aivoissa, antaa uutta tietoa siitä, miten ihminen on voinut kehittyä, ja voi viitoittaa tietä aivosairauksien tuleville hoidoille.

Aivot, monistettu

ARHGAP11B-geeni ilmestyi noin 5 miljoonaa vuotta sitten, pian simpanssin ja ihmisen esi-isien evolutiivisen jakautumisen jälkeen. Se syntyi mutaation kautta, kun toinen geeni, ARHGAP11A, kopioitui eli monistui. ARHGAP11B:n 5 miljoonaa vuotta vanha versio, jota kutsutaan ”esi-isien B-versioksi”, ei kuitenkaan ole se, joka ihmisillä on nykyään. Tutkijat uskovat, että ARHGAP11B:n toinen mutaatio tapahtui ihmisen esi-isillä 1,5 miljoonaa ja 500 000 vuotta sitten, jolloin syntyi ihmiselle ominainen geeni, jota tutkijat käyttivät uusimmassa tutkimuksessaan.

”Tämä ihmisspesifinen sekvenssi on ehdottoman välttämätön geenin kyvylle monistaa merkityksellisiä aivojen kantasoluja kehityksessä”, sanoo Wieland Huttner Max Planckin molekyylisolubiologian laitokselta, yksi tutkimuksen kirjoittajista.

Edelliset tutkimukset osoittivat samankaltaisia vaikutuksia hiirillä ja freteillä, jotka oli muunnettu niin, että niillä oli geenin ”uusi B-versio”. Näiden eläinmallien käyttäminen tarkoitti kuitenkin sitä, että geeni ei välttämättä ilmentynyt samalla tavalla kuin ihmisillä. Tutkimuksen tekijä Michael Heide, myös Max Planck -instituutista, sanoo, että tutkimusryhmä halusi tutkia malliorganismia, joka on läheistä sukua ihmiselle, ja kaksi käytännöllisintä vaihtoehtoa olivat marmosetti ja makakki.

”Ajattelimme, että marmosetti olisi parempi malli, koska makakin neokorteksissa on monia piirteitä, jotka sillä on yhteisiä meidän ison ja taitetun neokorteksimme kanssa. Marmosetti on kuitenkin sileä ja hyvin pienikokoinen.” Näin ollen marmosetin neocortexin koon ja muodon muutokset olisivat helposti havaittavissa.”

Tutkijat käyttivät geenin siirtämiseksi apinan alkioihin ”lentivirusta”, viruksen kantajaa, joka ei pysty replikoitumaan. Lentivirus sisälsi ARHGAP11B:tä sekä proteiinimarkkeria, jonka avulla tutkijat näkisivät, missä kyseinen geeni ilmentyi. He lisäsivät mukaan promoottorigeenin eli DNA-sekvenssin, joka säätelee tiettyjen geenien ilmentymistä.

Debra Silver, tutkija Duken yliopiston aivotutkimusinstituutissa, sanoo, että tutkijoiden tässä tutkimuksessa käyttämät menetelmät, jotka ovat parantuneet hiirillä ja freteillä käytetyistä menetelmistä, antavat paljon painoarvoa tulosten merkittävyydelle. ”Yksi haasteista on, että sinulla voi olla epänormaalin korkeita tasoja . Se on kuin ottaisi Mack-kuorma-auton ajamaan jotain verrattuna johonkin hienovaraisempaan, kuten Toyotaan. Ajatuksena on, että tällä he yrittävät päästä lähemmäs sitä, mitä ihmisen aivoissa normaalisti ilmentyisi.”

Tutkimus osoitti Silverin mukaan lisäksi, että geenin hallitseva vaikutus sen lisäksi, että se kasvattaa neokorteksin kokoa ja taitteiden lukumäärää, kontrolloi tiettyjen neuronien tuotantoa, jotka kehittyvät myöhemmin ja ovat tärkeämpiä korkeamman asteen prosessoinnille.

Megan Dennis, joka tutkii ihmisaivojen genetiikkaa Kalifornian yliopiston Davisin MIND-instituutissa, mutta ei ollut mukana tutkimuksessa, sanoi, että tässä tutkimuksessa saavutettiin merkittävä edistysaskel, kun geenin vaikutus pystyttiin osoittamaan kädellisellä.

”Meillä on kokonainen lista geenejä, joiden uskomme voivan olla tärkeitä siinä, mikä tekee meistä ainutlaatuisen inhimillisiä, mutta hyvin harvoin olemme osoittaneet lopullisesti, että ne todella ovat myötävaikuttamassa siihen”, Dennis sanoo. ”Ja minun on sanottava, että tämänkaltainen tutkimus todella nostaa ARHGAP11B:n listan kärkeen geeninä, joka voisi hyvinkin olla tärkeä ihmisen aivojen kehityksessä.”

Mitä on tulossa

Koska ARHGAP11B sijoittuu ihmisen perimän alueelle, jonka tiedetään olevan yhteydessä älylliseen kehitysvammaisuuteen, skitsofreniaan ja epilepsiaan, sen toiminnan selvittäminen voisi olla tärkeää myös sairauksien ymmärtämiseksi. Esimerkiksi ihmisaivot, joista tulee liian suuret (makrokefaaliset), voivat kärsiä useista neurologisista ja käyttäytymishäiriöistä, kuten autismista.

Ainutlaatuisten ihmisgeenien, kuten ARHGAP11B:n, ymmärtäminen voisi myös auttaa uudenlaisten hoitomuotojen kehittämisessä. Tämän tutkimuksen tekijät ehdottavat, että tämä geeni voisi olla hyödyllinen kasvatettaessa kantasoluja, jotka voisivat auttaa hoitamaan Parkinsonin taudin kaltaisia sairauksia, joissa on tunnistettu selkeitä mutaatioita.

Ajatus tämän geenin tai muiden sen kaltaisten geenien käyttämisestä ihmisaivojen olennaisen rakenteen ja toiminnan muuttamiseen herättää kuitenkin monia eettisiä huolenaiheita sekä eläinkokeilumallien että geenitekniikan ympärillä.

”Täytyy olla hyvin varovainen”, Huttner sanoo. ”Jos ihmisillä tehdään geneettistä manipulointia, se voidaan tehdä vain, jos sillä parannetaan sairautta, jossa on epänormaali mutaatio, ja se palautetaan tunnistettuun normaaliin sekvenssiin. Vasta sitten. Mutta jos yritetään ’parantaa’ ihmistä, ei missään nimessä.”