Duplicatie van genen en de ontwikkeling van het menselijk brein

Drie dagen geleden is er in Cell een studie gepubliceerd die laat zien hoe in de mens een gemuteerde duplicatie van een gen de expressie van het oorspronkelijke gen onderdrukt. Als gevolg daarvan heeft er in het ontwikkelend brein een versnelling van de migratie van neuronen plaats. Bovendien is de groei van het aantal dendrieten (vertakte uitlopers van de zenuwcel die connecties vormen met andere zenuwcellen) vertraagd waardoor er van deze laatste uiteindelijk meer gevormd worden en er een groter brein ontstaat.

Neuronen en glia in de hippocampus van de muis

Het oorspronkelijke gen (SRGAP) is verantwoordelijk voor de rijping van de neuronen in het primatenbrein, in het bijzonder voor het leggen van connecties tussen deze hersencellen. Nu gebeurt het door fouten tijdens het kopiëren van het DNA of gedurende crossing-over dat genen gedupliceerd raken. Zo’n 5% van ons genoom bestaat uit duplicaties. Het onderzoek laat zien dat er in het menselijk brein meerdere duplicaties van dit gen zijn. De eerste duplicatie had zo’n 3,4 miljoen jaar geleden plaats en produceerde een inactief gen (SRGAP2B). De tweede duplicatie is een kopie van de eerste duplicatie en vormde het gen SRGAP2C dat een verkort eiwit produceert. Deze laatste duplicatie had 2,4 miljoen jaar geleden plaats ongeveer ten tijde van de overgang van Australopithecus naar Homo. Alle duplicaties bevinden zich op het chromosoom 1.

Dit verkorte eiwit blijkt de expressie van het oorspronkelijke gen (SRGAP) te onderdrukken en maakt de mens tot een ‘knock-out’ voor SRGAP. Door dit gen en de duplicaten in muizen te plaatsen kon men constateren dat tijdens de ontwikkeling van de hersenen de neuronen sneller migreerden en er langer over deden hun dendrieten te vormen, net zoals in het menselijk brein. Er is daarom meer tijd om connecties te vormen tussen de neuronen waardoor de hersenen wellicht een grotere potentie hebben gekregen in de mens. Dit is een belangrijk verschil tussen de verschillende primaten. Het mensenbrein rijpt veel langzamer dan dat van andere primaten en dit resultaat geeft wellicht aan wat de genetische achtergrond daarvan is. Een ander proces wat van belang is voor de rijping van de hersenen is de ‘pruning’ ofwel het snoeien van de vele synapsen en de leeftijd van het organisme waarop deze plaatsheeft.

Het is de eerste keer dat aangetoond wordt dat een duplicaat een effect heeft op de expressie van het origineel. Er zijn nog 30 andere eiwit-coderende genen die gedupliceerd raakten met de evolutie van het menselijk brein. De onderzoekers zullen deze genen nu beter bekijken om te zien of ook deze van invloed zijn op de ontwikkeling daarvan.

Uit Cell 1 en 2 en NatureNews

De rijping van de hersenen

Het menselijk brein is enorm complex en bevat honderden miljarden neuronen en biljarden synapsen. Bij de geboorte heeft elke zenuwcel 2500 synapsen. Rond de leeftijd van 3 jaar zijn dat er 15.000 per cel. Synapsen zijn de verbindingen tussen zenuwcellen, de plaatsen waar neurotransmitters ofwel de signalen doorgegeven worden van de ene zenuwcel naar de andere. Het brein produceert veel meer synapsen dan nodig zijn. Om de hersenen te rijpen wordt deze wildernis aan synapsen gesnoeid met een proces dat synaptische pruning genoemd wordt. Het woord ‘pruning’ betekent ‘snoeien’ zoals dat wordt gedaan met de takken van een boom. De overbodige en kleinere takken worden weggehaald om de boom meer kracht te geven, ofwel om zijn energie te steken in slechts enkele van de mooiere en steviger takken. Het synaptische ‘snoeien’ zorgt ervoor dat veel van de geschikte of meest gebruikte verbindingen blijven bestaan, terwijl de overbodige verbindingen uitgeschakeld en geabsorbeerd worden.

Twee neuronen en hun synapsen met een uitvergroting van één van de synapsen

Italiaanse onderzoekers van het Europese laboratorium van Moleculaire Biologie in Monterotondo in Italië hebben nu gevonden dat er cellen in de hersenen bestaan die voor dit proces verantwoordelijk zijn. Het zijn de cellen van de microglia. Van deze cellen wist men dat ze specifiek in de hersenen actief zijn en daar microben en beschadigde neuronen opruimden. Ze hebben een analoge functie aan de macrofagen van het algemene immuunsysteem. Beide type cellen zorgen ervoor dat afval en microben opgeruimd worden door een proces van fagocytose, waarbij het materiaal wordt omgeven door uitstulpingen van de cel, die het daarna opslokt en verteert.

PSD-95, een proteïne die deel uitmaakt van de synapsen blijkt tijdens pruning niet alleen zichtbaar te zijn in de synapsen, maar ook binnen in de cellen van de microglia. Dit bewijst dat de microglia synapsen fagocyteren. Het experiment bestond ook uit de observatie van de hersenen van gemuteerde muizen die geen microglia bezaten. In deze muizen zag men dat er geen ‘pruning’ plaatsvond en dat de hersenen niet gesnoeid werden. Dit leidde tot een vertraging in de ontwikkeling van de hersenen.

Pruning

In de zich ontwikkelende hersenen worden vele synapsen blijkbaar als indringers beschouwd en als zodanig opgeruimd. Abnormale connecties in het brein zijn ook wel de oorzaak van autisme. Men gaat nu onderzoeken of er bij autisme sprake is van een verstoorde pruning. Het is waarschijnlijk dat het proces van pruning erg belangrijk is in leerprocessen en de vorming van het geheugen. De auteur zelf waarschuwt evenwel dat de groei en het verlies van de synapsen ook bij neuronen in kweken voorkomt, dus zonder de aanwezigheid van microglia.

Uit ScienceDaily, The Guardian, Science.

De intelligentie van de cel

De biowetenschappen worden gedreven door moleculaire biologie en genetica. Microscopen maken het mogelijk om de binnenste structuren van een cel steeds verder uit te vergroten. Onderzoek en onderwijs concentreren zich op wat zich afspeelt binnen een cel. Brian J. Ford denkt dat het tijd wordt om beter te kijken naar het gedrag van een enkele cel. Eéncelligen zijn autonoom, hebben waarnemingsvermogen en zijn ingenieus. In het leven van een enkele cel liggen de wortels van onze intelligentie.

Eéncellige organismen zoals Difflugia (Amoebozoa), maken ingewikkelde hulzen om hun cel mee te bedekken. Ze moeten daarvoor zandkorrels oppakken en in de huls plaasten.

Van internet: Difflugia

Er zijn veel meercellige dieren die een eigen huls bouwen, maar die bezitten dan ook een centraal zenuwstelsel, spieren, ogen enz. Hoe een eencellige dit voor elkaar krijgt weet men niet en het zal nooit ontdekt worden met behulp van de moleculaire biologie. Ford geeft ook een voorbeeld van rode algen. Scheuren deze algen uiteen dan zijn ze 24 uur later weer gerepareerd. Dit laatste doet zich alleen in het laboratorium voor, want de algen worden in open zee uit elkaar gespoeld. Zonder dat daar dus een mechanisme voor geëvolueerd heeft kunnen worden, bezitten de algen toch de eigenschap om zichzelf te repareren.
Eéncelligen reguleren hun activiteit, reageren op de omgeving en nemen uiteindelijk beslissingen.

Er wordt vaak vanuit gegaan dat onze hersenen alles regelen. Dat geldt voor onbewuste en bewuste lichamelijke processen. Maar er zijn legioen cellen die zich onafhankelijk van de hersenen delen en functioneren, zoals levercellen die beschadigd weefsel vervangen, huidcellen, haarcellen, en bloedcellen in het merg. De zenuwcel zelf daarentegen kan zich niet meer delen en lijkt slechts als aan- en uitknop te fungeren voor het doorgeven van signalen. Onderzoek naar de hersenen en hun

Van internet: Neuronal network

functie concentreert zich op de relatie tussen neuronen. Ford denkt dat de neuronale cellen zelf het antwoord bevatten op de werking van ons brein. Deze ‘denkende’ neuronen produceren een actiepotentiaal dat de taal vormt voor het doorgeven van gegevens binnen het neuronale netwerk.

In zijn laboratorium produceren gekweekte neuronen elektrische signalen van 40 Hertz, wat als audiofile klinkt als een irritant gezoem. Na amplificatie naar 300 Hertz klinkt dit signaal als het geluid van krijsende zeemeeuwen. Zou dit de taal van de hersenen zijn, vraagt hij zich af. In plaats van de hersenen als supercomputer te beschouwen zouden we elke zenuwcel zelf als een computer moeten beschouwen die binnen de hersenen netwerken vormt. Ford pleit dan ook voor een discipline die de hele cel bestudeert in plaats van het reductionistisch inzoomen op de intracellulaire structuren en moleculaire processen.

Dit bericht is een samenvatting van een artikel van Brain J. Ford in New Scientist.