CIENCIA. ¿Un gen especial dio a los cerebros humanos modernos su ventaja sobre los neardentales?

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Los cerebros humanos y neandertales tenían aproximadamente el mismo tamaño. Fuente: Adaptado de Alamy

Una mutación presente en los humanos modernos parece impulsar un mayor crecimiento de neuronas que una versión antigua de homínidos

09 septiembre 2022.- La pregunta de qué hace únicos a los humanos modernos ha sido durante mucho tiempo una fuerza impulsora para los investigadores. Las comparaciones con nuestros parientes más cercanos, los neandertales, por lo tanto, brindan información fascinante. 

El aumento en el tamaño del cerebro y en la producción de neuronas durante el desarrollo del cerebro se consideran factores importantes para el aumento de las capacidades cognitivas que se produjeron durante la evolución humana. Sin embargo, aunque tanto los neandertales como los humanos modernos desarrollan cerebros de tamaño similar, se sabe muy poco acerca de si los cerebros de los humanos modernos y los neandertales pueden haber diferido en términos de producción de neuronas durante el desarrollo.

Los investigadores ahora muestran que la variante humana moderna de la proteína TKTL1, que difiere en un solo aminoácido de la variante neandertal, aumenta un tipo de células progenitoras cerebrales, llamadas glía radial basal, en el cerebro humano moderno.

El TKTL1 humano moderno, pero no el TKTL1 neandertal, conduce a más neuronas en la neocorteza embrionaria del ratón

Hace más de 500.000 años, los antepasados ​​de los neandertales y los humanos modernos estaban migrando por todo el mundo cuando una mutación genética hizo que algunos de sus cerebros mejoraran repentinamente. Esta mutación, informan los investigadores en Science 1 , 2 , aumentó drásticamente la cantidad de células cerebrales en los homínidos que precedieron a los humanos modernos, probablemente dándoles una ventaja cognitiva sobre sus primos neandertales.

Aun siendo un gen sorprendentemente importante, los investigadores creen que resulte ser uno de los muchos ajustes genéticos que dieron a los humanos modernos una ventaja evolutiva sobre otros homínidos. Este descubrimiento arroja una nueva luz sobre la evolución humana.

Cuando los investigadores secuenciaron completamente por primera vez un genoma neandertal en 2014 3 , identificaron 96 aminoácidos, los componentes básicos que forman las proteínas, que difieren entre los neandertales y los humanos modernos, además de una serie de otros ajustes genéticos. Los científicos han estado estudiando esta lista para saber cuáles ayudaron a los humanos modernos a superar a los neandertales y otros homínidos.

Ventaja cognitiva

Para los neurocientíficos autores del estudio, un gen se destacó. El gen, TKTL1, codifica una proteína que se produce cuando el cerebro de un feto se está desarrollando por primera vez. Una sola mutación genética en la versión humana de TKTL1 cambió un aminoácido, lo que dio como resultado una proteína que es diferente de las que se encuentran en los ancestros de los homínidos, los neandertales y los primates no humanos.

Las células gliales radiales basales generan la mayoría de las neuronas en el neocórtex en desarrollo, una parte del cerebro que es crucial para muchas habilidades cognitivas. Como la actividad de TKTL1 es particularmente alta en el lóbulo frontal del cerebro humano fetal, los investigadores concluyen que esta única sustitución de aminoácido específica de humanos en TKTL1 subyace a una mayor producción de neuronas en el lóbulo frontal en desarrollo de la neocorteza en los humanos modernos que en los neandertales.

Solo un pequeño número de proteínas tiene diferencias en la secuencia de sus aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, entre los humanos modernos y nuestros parientes extintos, los neandertales y los denisovanos.

El equipo investigador sospechó que esta proteína podría estar impulsando a las células progenitoras neurales, que se convierten en neuronas, a proliferar a medida que se desarrolla el cerebro, específicamente en un área llamada neocorteza, que está involucrada en la función cognitiva. Eso, razonaron, podría contribuir a la ventaja cognitiva de los humanos modernos sobre los ancestros humanos.

Para probar esto, los investigadores insertaron la versión humana o ancestral de TKTL1 en el cerebro de embriones de ratón y hurón. Los animales con el gen humano desarrollaron significativamente más células progenitoras neurales. Cuando los investigadores diseñaron células de la neocorteza de un feto humano para producir la versión ancestral, descubrieron que el tejido fetal producía menos células progenitoras y menos neuronas de lo normal. Lo mismo sucedió cuando insertaron la versión ancestral de TKTL1 en organoides cerebrales, estructuras similares a mini-cerebros cultivadas a partir de células madre humanas.

Tamaño del cerebro

Los registros fósiles sugieren que los cerebros humanos y neandertales tenían aproximadamente el mismo tamaño, lo que significa que las neocortezas de los humanos modernos son más densas o ocupan una porción más grande del cerebro. Los autores del estudio se sorprendieron al ver que un cambio genético tan pequeño pudiera afectar el desarrollo del neocórtex tan drásticamente. Fue una mutación coincidente que tuvo enormes consecuencias.

Los neurocientíficos indican que las diferentes líneas celulares se comportan de manera diferente cuando se convierten en organoides y les gustaría ver la versión ancestral de TKTL1 probada en más células humanas. Además, el genoma neandertal original se comparó con el de un europeo moderno: las poblaciones humanas en otras partes del mundo podrían compartir algunas variantes genéticas con los neandertales.

Se cree que la versión neandertal de TKTL1 es muy rara entre los humanos modernos y  se desconoce si causa alguna enfermedad o diferencias cognitivas. La única forma de demostrar que tiene un papel en la función cognitiva, sería diseñar genéticamente ratones o hurones que siempre tengan la forma humana del gen y probar su comportamiento en comparación con animales que tienen la versión ancestral. 

Este estudio implica que la producción de neuronas en la neocorteza durante el desarrollo fetal es mayor en los humanos modernos que en los neandertales, en particular en el lóbulo frontal. Resulta tentador especular que esto promovió las habilidades cognitivas humanas modernas asociadas con el lóbulo frontal.

Los autores del estudio ahora planean investigar más a fondo los mecanismos a través de los cuales TKTKL1 impulsa el nacimiento de las células cerebrales.

Fuentes:

1. Pinson, A. et al. Science 377 , eabl6422 (2022).

2. Malgrange, B. & Nguyen, L. Science 377, 1155–1156 (2022).

3. Prüfer, K. et al. Nature 505, 43–49 (2014).

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