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Gehirn-Evolution Warum unser Gehirn so groß geworden ist

| Autor/ Redakteur: Katrin Boes* / Christian Lüttmann

Das Gehirn eines Menschen wiegt knapp 1,5 Kilogramm. Damit ist es zwar nicht das schwerste, aber relativ zum Körpergewicht eines der größten Gehirne auf der Erde. Maßgeblich für das evolutionäre Wachstum des Menschengehirns war ein bestimmtes Gen. Dessen Wirkungsweise haben nun Max-Planck-Forscher aufgedeckt – und einen Zusammenhang zu Tumorzellen gefunden.

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Das ARHGAP11B-Protein (Magenta) ist in den Mitochondrien vorhanden. Der Zellkern wird durch DAPI (blau) visualisiert.
Das ARHGAP11B-Protein (Magenta) ist in den Mitochondrien vorhanden. Der Zellkern wird durch DAPI (blau) visualisiert.
(Bild: Namba et al. / MPI-CBG)

Dresden – Im Laufe der Evolution hat sich das Gehirn als wesentlicher Erfolgsfaktor für das Überleben herausgestellt. Besonders dem Menschen kam die Entwicklung zugute – hat dessen Gehirn doch im Vergleich zu anderen Säugetieren ein erheblich größeres Wachstum erfahren. Welche molekularen Mechanismen der Vergrößerung des Gehirns während der Evolution von Säugetieren zugrunde liegen, erforscht u.a. Prof. Wieland Huttner vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG).

Mit seinem Team beschrieb er 2015 die Schlüsselrolle eines Gens, das nur beim Menschen und bei unseren nächsten ausgestorbenen Verwandten, den Neandertalern und Denisova-Menschen, vorkommt. Dieses Gen ARHGAP11B bewirkt, dass sich die so genannten basalen Hirnstammzellen vermehren und dadurch mehr Nervenzellen gebildet werden können, was letztendlich zu einem größeren und gefalteten Gehirn führt. Wie das Gen innerhalb der basalen Hirnstammzellen arbeitet, war bisher aber nicht bekannt.

Wachstum durch Kalziumstau

Dieser Frage ging nun Takashi Namba, Postdoktorand in der Gruppe von Huttner, nach. Gemeinsam mit Kollegen vom MPI-CBG, dem Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden (UKD) und der Abteilung für Medizinische Biochemie der Semmelweis-Universität Budapest fand er heraus, dass das ARHGAP11B-Protein in den Mitochondrien sitzt. Diese Organellen erzeugen den größten Teil der chemischen Energie in einer Zelle und werden daher oft als das Kraftwerk der Zelle bezeichnet.

Die Forscher entdeckten, dass ARHGAP11B mit einem Protein in der Membran von Mitochondrien zusammenwirkt, welches eine Membran-Pore steuert. „Als Folge dieser Wechselwirkung schließen sich die Poren in der Membran und verhindern so den Austritt von Kalzium aus den Mitochondrien“, erklärt der Forscher. „Die dadurch entstehende höhere Kalziumkonzentration veranlasst die Mitochondrien, über den Stoffwechselweg ‚Glutaminolyse‘ chemische Energie zu erzeugen. Auf diese Weise kann ARHGAP11B basale Hirnstammzellen dazu bringen, einen größeren Pool von Stammzellen zu bilden“. Folglich können mehr Nervenzellen gebildet werden, was die Voraussetzung für ein größeres Gehirn ist.

Stoffwechselweg wie bei Tumorzellen

Ein derartiges Stoffwechselverhalten ist Medizinern aus einem anderen Zusammenhang bekannt, wie der Studienleiter Huttner erläutert: „Eine erhöhte Glutaminolyse ist ein Kennzeichen von sich stark vermehrenden Zellen, insbesondere von Tumorzellen. ARHGAP11B könnte also zur evolutionären Vergrößerung des menschlichen Gehirns dadurch beigetragen haben, dass es in den basalen Hirnstammzellen für einen begrenzten Zeitraum während der Hirnentwicklung einen krebsartigen Stoffwechsel ausgelöst hat“.

Originalpublikation: Takashi Namba, Judit Dóczi, Anneline Pinson, Lei Xing, Nereo Kalebic, Michaela Wilsch-Bräuninger, Katherine R. Long, Samir Vaid, Janelle Lauer, Aliona Bogdanova, Barbara Borgonovo, Anna Shevchenko, Patrick Keller, David Drechsel, Teymuras Kurzchalia, Pauline Wimberger, Christos Chinopoulos, Wieland B. Huttner: Human-specific ARHGAP11B acts in mitochondria to expand neocortical progenitors by glutaminolysis, Neuron, 26. Dezember, 2019. DOI 10.1016/j.neuron.2019.11.027

* K. Boes, MPI für Molekulare Zellbiologie und Genetik, 01307 Dresden

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