Gehirnentwicklung des modernen Menschen Gehirn-Vergleich mit Neandertalern: Dieses Protein macht den Unterschied

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MPI für Molekulare Zellbiologie und Genetik

Der moderne Mensch ist vor allem wegen seines leistungsstarken Gehirns so erfolgreich geworden. Doch was macht den Unterschied aus zu unseren ausgestorbenen Verwandten, den Neandertalern? Wie eine neue Studie zeigt, hat womöglich ein einziger Proteinbaustein einen entscheidenden Unterschied in der Gehirnentwicklung des Menschen gemacht.

Dresden – Obwohl der Neandertaler vor rund 40.000 Jahren ausstarb, sind die modernen Menschen von heute ihm erstaunlich ähnlich, und das bis hinunter auf eine molekulare Ebene. So gibt es etwa nur bei wenigen Proteinen Unterschiede in der Abfolge der Aminosäuren – den Bausteinen der Proteine. Die biologische Bedeutung dieser Unterschiede für die Entwicklung des Gehirns des modernen Menschen ist weitgehend unbekannt.

Ebenfalls offen ist die Frage, ob die ähnlich großen Gehirne von Neandertaler und modernem Mensch auch ähnliche viele Nervenzellen hatten. Eine neue Studie der Forschungsgruppe von Wieland Huttner, einem der Gründungsdirektoren des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), befasst sich genau mit dieser Frage. Das Forscherteam kooperierte mit Svante Pääbo, Direktor am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig, und Pauline Wimberger vom Universitätsklinikum Dresden sowie deren Kollegen.

Macht ein Protein den Homo Sapiens aus?

Die Wissenschaftler haben sich ein spezielles Protein angeschaut, das bei allen modernen Menschen im Vergleich zu den Neandertalern eine einzige Aminosäureveränderung aufweist: das Protein Transketolase-like 1 (TKTL1). Bei modernen Menschen enthält es an der betreffenden Sequenzposition ein Arginin, während es bei Neandertalern die verwandte Aminosäure Lysin an derselben Stelle enthält.

Das untersuchte Protein ist besonders in der Großhirnrinde stark vertreten, also dem evolutionsgeschichtlich jüngsten Teil des Gehirns, dem viele kognitive Fähigkeiten des modernen Menschen zugeschrieben werden, wie die Fähigkeit zu Sprache und logischem Denken. Im fötalen menschlichen Neokortex findet sich TKTL1 in neokortikalen Vorläuferzellen, den Zellen, aus denen sich alle kortikalen Nervenzellen ableiten. In den Vorläuferzellen des Frontallappens ist die Konzentration von TKTL1 besonders hoch.

Schmerzschwelle von Neandertaler und modernem Mensch

Das sensible Erbe der Neandertaler

Erstaunliche Ergebnisse im Mausmodell

Welchen Einfluss das Protein TKTL1 auf die Entwicklung des Gehirns hat, testete Anneline Pinson, die Erstautorin der Studie und Forscherin in der Gruppe von Wieland Huttner. Dazu brachten Pinson und ihre Kollegen entweder die TKTL1 Variante des modernen Menschen oder die des Neandertalers in den Neokortex von Mausembryonen ein. Dort überwachte sie die Verbreitung so genannter basaler radialer Gliazellen. Das sind neokortikale Vorläuferzellen, von denen man annimmt, dass sie die treibende Kraft für ein größeres Gehirn sind.

In den Versuchen zeigte sich, dass die Gliazellen mit der Moderne-Menschen-Variante von TKTL1 vermehrt wurden, mit der Neandertaler-Variante jedoch nicht. Infolgedessen enthielten die Gehirne von Mausembryonen mit Moderne-Menschen-TKTL1 mehr Nervenzellen als die mit dem Neandertalerprotein.

Mehr Neuronen im Frontallappen des modernen Menschen

Anschließend untersuchte das Forscherteam, welche Relevanz diese Ergebnisse für die Entwicklung des menschlichen Gehirns haben. Dazu ersetzten sie das Arginin in TKTL1 des modernen Menschen durch das für das TKTL1 des Neandertalers charakteristische Lysin. Dabei kamen menschliche Hirnorganoide zum Einsatz – organähnliche Miniaturstrukturen, die aus menschlichen Stammzellen in Zellkulturschalen im Labor gezüchtet werden und die Aspekte der frühen menschlichen Gehirnentwicklung nachahmen. „Wir fanden heraus, dass mit dem Neandertaler-Typ der Aminosäure in TKTL1 weniger basale radiale Gliazellen produziert wurden als mit dem Moderne-Menschen-Typ, und folglich auch weniger Nervenzellen“, sagt Erstautorin Pinson. „Obwohl wir nicht wissen, wie viele Nervenzellen das Neandertaler-Gehirn hatte, können wir annehmen, dass moderne Menschen mehr Nervenzellen im Frontallappen des Gehirns haben, wo die TKTL1-Aktivität am höchsten ist, als Neandertaler.“

Das Forscherteam stellte außerdem fest, dass TKTL1 beim modernen Menschen durch Veränderungen im Stoffwechsel wirkt. So dürfte TKTL1 des modernen Menschen die Synthese bestimmter Membranlipide erhöhen, die für die Bildung des langen Prozesses der basalen radialen Gliazellen benötigt werden, der ihre Vermehrung anregt und somit die Nervenzellproduktion erhöht.

„Man kann aufgrund dieser Ergebnisse vermuten, dass die Bildung von Nervenzellen im Neokortex während der fötalen Entwicklung beim modernen Menschen größer ist als beim Neandertaler, hauptsächlich im Frontallappen“, fasst Studienleiter Huttner zusammen. „Es ist durchaus denkbar, dass dies die kognitiven Fähigkeiten des modernen Menschen, die auf dem Frontallappen beruhen, gefördert hat.“

Originalpublikation: Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, Christina Eugster Oegema, Sofia Traikov, Katrin Reppe, Stephan Riesenberg, Tomislav Maricic, Razvan Derihaci, Pauline Wimberger, Svante Pääbo, Wieland B Huttner: Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neandertals, Science, 9 Sep 2022, Vol 377, Issue 6611; DOI: 10.1126/science.abl6422

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