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Vergleich mit Menschenaffen: Was macht unser Gehirn menschlich?
Warum unsere Großhirnrinde im Laufe der Evolution besonders stark gewachsen ist, könnte auch an der Steuerung gemeinsam geerbter Gene liegen. Beim Vergleich von Gehirnorganoiden aus menschlichen, Schimpansen- und Gorillastammzellen fanden Forscher 599 DNA-Abschnitte, die in bestimmten menschlichen Hirnvorläuferzellen stärker zugänglich sind. Zwei damit verknüpfte Gene beeinflussen deren Verzweigung, eines auch die Zahl neu entstandener Nervenzellen.
Dresden (Deutschland). Das menschliche Gehirn ist nicht einfach eine größere Ausgabe des Menschenaffengehirns. Besonders der Neokortex, der äußere Teil der Großhirnrinde, hat sich bei unserer Art erheblich ausgedehnt. Er ist an höheren Denkleistungen wie Sprache, Planung und abstraktem Denken beteiligt. Wie dieser Größenunterschied während der Evolution entstand, ist bislang nur teilweise geklärt.
Eine wichtige Rolle spielen basale Radialgliazellen. Sie gehören zu den Vorläuferzellen, aus denen während der Entwicklung zahlreiche Nervenzellen hervorgehen. Ihre langen Fortsätze können Signale aus der Umgebung aufnehmen, und ihre Form hängt nach früheren Untersuchungen mit ihrer Fähigkeit zusammen, weitere Zellen hervorzubringen. Die frühe Hirnentwicklung anderer Menschenaffen lässt sich allerdings nicht direkt an deren ungeborenem Nachwuchs erforschen.
Forscher der Technischen Universität Dresden (TUD) um Prof. Mareike Albert haben deshalb dreidimensionale Gehirnorganoide aus Stammzellen von Menschen, Schimpansen und Gorillas miteinander verglichen. Die im Labor gezüchteten Gewebestrukturen bilden einige Eigenschaften der frühen Großhirnentwicklung nach. Zusätzlich untersuchte das Team menschliches fetales Hirngewebe, um die Aussagekraft seiner Zellvergleiche zu erhöhen.
„Wir haben uns deshalb gefragt: Wie lässt sich die Gehirnentwicklung verschiedener Arten trotzdem direkt vergleichen?“, erläutert Prof. Mareike Albert.
Im Mittelpunkt standen DNA-Bereiche, die selbst keine Bauanleitung für Proteine enthalten, aber als regulatorische Schalter die Aktivität benachbarter Gene beeinflussen können. Das Team verglich die Zugänglichkeit solcher Bereiche und die Genaktivität in unterschiedlichen Vorläuferzellen. Dabei identifizierten die Forscher 599 potenzielle Schalter, die in menschlichen basalen Radialgliazellen stärker zugänglich waren als bei Schimpansen und Gorillas.
Diese DNA-Abschnitte wurden mit insgesamt 589 Zielgenen in Verbindung gebracht. Auffällig häufig betrafen die Unterschiede Gene, die das Wachstum, die Anordnung und die Fortsätze von Zellen beeinflussen. Die menschlichen basalen Radialgliazellen aktivierten dabei offenbar teilweise Genprogramme, die bei anderen Arten vor allem mit bereits ausgereiften Nervenzellen verbunden sind.
„Wir haben knapp 600 Schalter gefunden, die in menschlichen neuralen Stammzellen aktiver sind als in denen von Schimpansen und Gorillas“, erklärt Dr. Theresa M. Schütze von der Technischen Universität Dresden (TUD).
Wie wichtig die veränderte Genaktivität für die Zellform ist, überprüften die Forscher an den Genen FAM107A und CNGA3. Beide sind in menschlichen Vorläuferzellen stärker aktiv und stehen mit der Ausbildung von Zellfortsätzen in Zusammenhang. Schaltete das Team eines dieser Gene in menschlichen Gehirnorganoiden aus, sank jeweils der Anteil besonders komplex verzweigter basaler Radialgliazellen.
Nach dem Ausschalten von FAM107A fanden die Wissenschaftler außerdem weniger Nervenzellen in den untersuchten Bereichen der Organoide. Für CNGA3 wies die Studie keinen entsprechenden Befund zur Nervenzellzahl aus. Die Versuche stützen damit die Vorstellung, dass die Zellform an der Bildung von Nervenzellen beteiligt ist, ohne die gesamte Entwicklung des menschlichen Großhirns bereits zu erklären.