Gemeinsames evolutionäres Muster in der Entwicklung der verschiedenen Arten von Neuronen
Forscher bringen Entwicklung der neuronalen Vielfalt mit genetischen Transkriptionsfaktoren in Verbindung, die sich in mehreren Arten wiederholen
Eine Forschungsgruppe des CSIC veröffentlicht in der Zeitschrift Genome Research einen neuen Fortschritt im Verständnis der Entstehung unseres Gehirns. Das wissenschaftliche Team hat ein gemeinsames Muster in den Familien der Transkriptionsfaktoren gefunden, die den genetischen Code lesen und die Bildung verschiedener Arten von Neuronen steuern. Außerdem wiederholt sich dieses Muster laut der Studie bei verschiedenen Arten, was auf eine evolutionäre Erhaltung ihrer Funktion hinweist. Die Ergebnisse können zur Erforschung von Pathologien beitragen, die mit der Bildung von Neuronen verbunden sind.
Mikroskopische Aufnahme von Neuronen.
CSIC
Das Team unter der Leitung von Nuria Flames, Wissenschaftlerin am Instituto de Biomedicina de Valencia (IBV-CSIC), hat ein Tiermodell mit einem rudimentäreren Nervensystem als das des Menschen, den kleinen Fadenwurm Caenorhabditis elegans (C. elegans), verwendet, um die molekularen Mechanismen besser zu verstehen, die die verschiedenen Arten von Neuronen erzeugen. Das Nervensystem von C. elegans besteht aus 302 Neuronen, die in 118 Typen eingeteilt sind, was überschaubarer ist als die mehr als 80 Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn.
Alle Zellen des Organismus, einschließlich der Neuronen sowohl beim Menschen als auch bei C. elegans, haben dasselbe Genom. Jeder Zelltyp identifiziert aus dem gesamten Repertoire von mehr als 20.000 kodierenden Genen diejenigen, die er aktivieren muss und aus denen die Proteine entstehen, die ihm seine spezifischen Funktionen ermöglichen. Maßgeblich verantwortlich für diese Auswahl sind die so genannten "Transkriptionsfaktoren", die die im genetischen Code geschriebene "Partitur" interpretieren, damit die Zellen sie fehlerfrei ausführen können.
"Die grundlegenden Gensätze, die den Neuronen ihre Funktionalität verleihen, sind in der Evolution der Arten in hohem Maße konserviert und daher bei C. elegans und beim Menschen identisch. Wir wollten verstehen, welche Mechanismen zur Entwicklung der verschiedenen Arten von Neuronen führen und ob es ein gemeinsames Muster gibt, das von allen Neuronen unabhängig von ihrem Typ verwendet wird", sagt Nuria Flames.
Zu diesem Zweck untersuchte das Forscherteam gleichzeitig elf verschiedene Arten von Neuronen in C. elegans sowie alle Transkriptionsfaktoren, die im Genom dieses Fadenwurms existieren (weniger als 900 im Vergleich zu den 1.500 Transkriptionsfaktoren im menschlichen Genom). Indem sie die Funktion dieser Faktoren einen nach dem anderen eliminierten und ihre Auswirkungen auf die Bildung der untersuchten Neuronentypen beobachteten, identifizierten sie durchschnittlich zehn Transkriptionsfaktoren für die Bildung jedes Typs.
Familien und Cluster von Transkriptionsfaktoren
"Diese Faktoren waren für jeden Neuronentyp unterschiedlich; in unserer Studie haben wir keinen gefunden, der für alle benötigt wurde", erinnert sich Flames, "obwohl wir ihn vielleicht aufgrund technischer Beschränkungen nicht hätten finden können. Die Transkriptionsfaktoren lassen sich jedoch je nach Familie, zu der sie gehören, in Gruppen einteilen, und wir haben in den Familien der Transkriptionsfaktoren ein Muster gefunden, das sich bei der Entstehung der verschiedenen Arten von Neuronen wiederholt", sagt der CSIC-Forscher. Die meisten der beteiligten Faktoren gehören zu den Familien, die als bHLH, HD, ZF, bZIP und NHRs bekannt sind. Dieses Muster wiederholt sich in jedem Neuron von C. elegans, scheint aber auch bei anderen Arten wie Mäusen und Fruchtfliegen vorhanden zu sein.
Im zweiten Teil der Arbeit versuchte das Team unter der Leitung von Flames zu verstehen, wie Transkriptionsfaktoren in der Lage sind, zu unterscheiden, welche Gene sie von allen Genen im Genom aktivieren. Sie wählten eine Art von Neuronen aus, die dopaminergen Neuronen (die den Neurotransmitter Dopamin produzieren), und identifizierten fünf Transkriptionsfaktoren, die als Kollektiv wirken, um die Gene zu aktivieren, die ihnen ihre spezifischen Eigenschaften verleihen. Dies geschieht auch bei anderen Arten.
"Wir haben gesehen, dass die Transkriptionsfaktoren, die dopaminerge Neuronen in C. elegans regulieren, Homologe haben, die das Gleiche in einer Region des Mäusegehirns tun", erklärt Nuria Flames. "Daher tragen unsere Studien dazu bei, besser zu verstehen, wie neuronale Vielfalt in unserem Gehirn entsteht, und längerfristig einige Pathologien zu verstehen, bei denen diese Programme zur Erzeugung von Vielfalt versagen, sowie bei der Entwicklung von Strategien zur Erzeugung von Neuronenarten in vitro zu helfen, die von biomedizinischem Interesse sind", schließt der Forscher.
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