Gen Purba CCNB1IP1 Dikaitkan dengan Pembesaran dan Pelipatan Otak Primat

Gen lama dengan peranan yang berubah dalam perkembangan otak

Satu huruf DNA dalam jujukan pengawal atur membantu meningkatkan aktiviti gen purba dalam eksperimen yang mengkaji bagaimana otak primat menjadi lebih besar dan berlipat. Penyelidik yang diketuai Shi Lei dari Institut Zoologi Kunming, Akademi Sains China, mengenal pasti CCNB1IP1 sebagai penyumbang kepada proses ini, sekali gus menghubungkan perubahan dalam pengawalan gen dengan pertumbuhan lebih pantas sel yang menghasilkan neuron.

Pasukan itu, yang bekerjasama dengan rakan penyelidik antarabangsa, mendapati ekspresi CCNB1IP1 lebih tinggi pada makaka berbanding tupai pokok dan marmoset, serta paling tinggi pada manusia. Eksperimen kemudian menjejaki satu rantaian sebab-akibat yang mungkin: aktiviti pengawal atur yang lebih kuat meningkatkan ekspresi gen, gen itu mempercepat sebahagian daripada kitaran pembahagian sel, dan sel progenitor saraf membiak dengan lebih pantas. Sesetengah tikus yang diubah suai secara genetik mengalami lipatan pada korteks serebrum yang biasanya licin.

Penemuan yang diterbitkan dalam Nature Genetics itu memperluas penjelasan tentang evolusi otak yang sering tertumpu pada gen yang baru diperoleh dalam garis keturunan manusia. CCNB1IP1 ialah gen lebih lama yang dikekalkan merentas mamalia. Kajian itu mencadangkan bahawa perubahan pada masa dan tahap kekuatan gen seperti ini berfungsi juga boleh menyumbang kepada pembesaran neokorteks primat secara beransur-ansur.

Perbezaan ini penting. Sesuatu gen tidak semestinya perlu muncul buat kali pertama untuk memainkan peranan perkembangan yang lebih besar. Perubahan pada DNA berhampiran yang mengawal aktivitinya boleh mengubah jumlah proteinnya yang dihasilkan oleh sesuatu sel, sekali gus mempengaruhi bilangan dan jenis sel yang terbentuk semasa perkembangan otak.

Membandingkan otak yang sedang berkembang daripada lima spesies

Penyelidik membandingkan data transkriptomik daripada lapisan berbeza korteks serebrum embrio tikus, tupai pokok, marmoset, makaka dan manusia. Analisis transkriptomik mengukur RNA yang dihasilkan oleh gen aktif, sekali gus membolehkan penyelidik membandingkan corak ekspresi gen merentas tisu dan spesies.

Tupai pokok berperanan sebagai kumpulan luar, iaitu saudara rapat di luar kumpulan primat yang membantu penyelidik mengkaji ciri-ciri yang mungkin wujud sebelum evolusi primat. CCNB1IP1 sudah aktif dalam otak tupai pokok, menyokong kesimpulan bahawa ekspresinya dalam otak bukan berasal secara eksklusif daripada manusia mahupun primat.

Corak itu bukan peningkatan seragam antara setiap spesies. Marmoset, yang kebanyakannya mempunyai korteks licin, menunjukkan ekspresi yang serupa dengan tupai pokok. Ekspresi lebih tinggi pada makaka, yang korteksnya berlipat, dan mencapai tahap tertinggi pada manusia. Penyelidik turut menemui perkaitan positif antara ekspresi, berat otak dan tahap pelipatan korteks.

Shi Lei, penyelidik yang mengetuai pasukan di Institut Zoologi Kunming, menghuraikan hubungan antara aktiviti gen dengan struktur otak:

Tahap ekspresi gen purba ini berkait rapat dengan tahap pelipatan korteks,

Perbandingan itu menunjukkan corak evolusi, tetapi korelasi sahaja tidak dapat membuktikan bahawa aktiviti gen yang lebih tinggi menyebabkan korteks menjadi lebih besar atau lebih berlipat. Oleh itu, kajian beralih daripada membandingkan spesies kepada mengubah DNA pengawal atur serta menguji gen itu dalam sel dan tikus yang sedang berkembang.

Mengapa sel penghasil neuron penting

Fokus pada peringkat sel ialah populasi progenitor saraf, iaitu sel belum matang yang membahagi dan menghasilkan neuron. Dalam korteks tikus, yang biasanya kekal licin, neuron kebanyakannya terhasil daripada progenitor apikal di zon ventrikel, iaitu kawasan perkembangan bersebelahan rongga berisi cecair dalam otak.

Dalam primat, satu lagi kawasan yang dipanggil zon subventrikel jauh lebih besar. Kawasan itu mengandungi progenitor basal, iaitu sel yang mampu mengembangkan populasinya sendiri dan menghasilkan neuron tambahan. Peningkatan populasi ini ialah satu cara korteks yang sedang berkembang boleh membesar.

Kajian mengaitkan peningkatan ekspresi CCNB1IP1 dengan pertambahan proliferasi progenitor basal dan penghasilan neuron yang lebih banyak. Ini memberikan penjelasan pada peringkat sel bagi perkaitan yang dilihat merentas spesies: perubahan aktiviti gen boleh mengubah bekalan sel yang tersedia untuk membentuk korteks.

Pembesaran dan pelipatan berkait, tetapi kedua-duanya bukan ukuran yang boleh saling menggantikan. Lipatan membolehkan permukaan korteks yang lebih besar muat di dalam tengkorak. Kajian meneliti bagaimana perubahan molekul boleh menyumbang kepada pertumbuhan tisu dan pelipatan, tanpa membuktikan bahawa gen ini sahaja menentukan salah satu ciri tersebut.

CRE1 bertindak sebagai suis pengawal atur

Penyelidik mengenal pasti jujukan pengawal atur yang dipanggil CRE1, yang membantu mendorong peningkatan ekspresi CCNB1IP1. Jujukan ini ialah unsur pengawal atur cis, iaitu segmen DNA yang mempengaruhi aktiviti gen pada molekul DNA yang sama, dan bukannya mengekod protein itu sendiri.

Perbandingan segmen teras dalam jujukan ini menunjukkan aktiviti pengawal atur yang semakin kuat, daripada tupai pokok melalui monyet dan beruk hingga manusia. Corak itu sepadan dengan peningkatan umum ekspresi CCNB1IP1, sekali gus mengarahkan perhatian kepada mekanisme kawalan gen dan bukannya kewujudan gen itu semata-mata.

Satu kedudukan dalam jujukan teras itu terbukti amat bermaklumat. Jujukan manusia mempunyai bes DNA G, manakala cimpanzi dan primat lain mempunyai A. Penggantian G dengan A dalam jujukan manusia mengurangkan aktiviti pengawal atur. Penggantian sebaliknya dalam jujukan cimpanzi meningkatkan aktiviti.

Eksperimen penggantian timbal balik ini memberikan bukti bahawa perbezaan satu bes itu mempengaruhi fungsi jujukan tersebut. Ramalan dan eksperimen pengesahan menunjukkan bahawa perubahan itu mengubah pengikatan dua faktor transkripsi, iaitu protein yang melekat pada DNA dan membantu mengawal aktiviti gen.

Pemadaman keseluruhan jujukan pengawal atur itu melalui penyuntingan gen turut mengurangkan ekspresi CCNB1IP1. Secara bersama, eksperimen penggantian dan pemadaman menyokong peranan CRE1 dalam mengawal tahap ekspresi gen tersebut. Namun, eksperimen itu tidak membuktikan bahawa satu perubahan DNA manusia menjelaskan semua perbezaan pengawal atur yang terkumpul sepanjang evolusi primat.

Bagaimana CCNB1IP1 mempercepat kitaran sel

CCNB1IP1 mengekod ligase ubiquitin, iaitu enzim yang melekatkan tag ubiquitin pada protein sasaran. Tag sedemikian boleh mengarahkan protein untuk dimusnahkan oleh sistem pelupusan sel. Dalam kajian ini, penyelidik mendapati CCNB1IP1 menggalakkan degradasi faktor transkripsi yang terlibat dalam pengawalan kitaran sel.

Kesan yang terhasil ialah fasa G1 yang lebih pendek dalam progenitor saraf. G1 ialah tempoh sel membesar dan membuat persediaan sebelum menyalin DNAnya. Pemendekan tempoh itu boleh membolehkan sel progenitor melalui kitaran pembahagian dengan lebih pantas.

Pracetakan kajian CCNB1IP1 oleh penulis, yang disiarkan pada 9 Disember 2024, secara khusus menerangkan peningkatan bilangan progenitor saraf melalui pemendekan G1. Abstraknya mengaitkan mekanisme ini dengan peningkatan ekspresi gen sepanjang evolusi serta ciri pembelajaran dan ingatan dalam model tikus.

Oleh itu, urutan yang dicadangkan lebih khusus daripada sekadar perkaitan antara sesuatu gen dengan saiz otak. Peningkatan aktiviti CCNB1IP1 menggalakkan degradasi pengawal kitaran sel, memendekkan peringkat persediaan pembahagian dan meningkatkan proliferasi progenitor. Progenitor yang lebih banyak kemudian boleh menghasilkan lebih banyak neuron, menyediakan mekanisme yang berpotensi untuk pembesaran korteks.

Sesetengah tikus yang diubah suai mengalami lipatan korteks

Untuk menguji sama ada gen itu boleh mengubah perkembangan otak haiwan, pasukan tersebut menghasilkan tikus yang mengekspresikan versi manusia CCNB1IP1 dalam sel progenitor saraf menggunakan pendekatan knock-in bersyarat. Kaedah ini memasukkan gen ke dalam genom sambil mengawal sel yang mengaktifkannya.

Sesetengah tikus ini mengalami struktur lipatan korteks walaupun korteks tikus biasanya kelihatan licin. Penyelidik turut memerhatikan peningkatan indeks girifikasi setempat, iaitu ukuran pelipatan, serta lebih banyak neuron pada lapisan atas korteks.

Perbezaan antara sesetengah haiwan dengan semua haiwan penting. Penemuan itu menunjukkan bahawa intervensi tersebut boleh menghasilkan lipatan dalam keadaan eksperimen, bukannya setiap tikus yang diubah suai mengalami anatomi yang sama atau otaknya menjadi setara dengan otak primat.

Peningkatan neuron pada lapisan atas turut memberikan maklumat selain lipatan yang dapat dilihat. Ia menghubungkan hasil anatomi dengan perubahan penghasilan neuron, selaras dengan eksperimen terdahulu tentang proliferasi progenitor. Secara bersama, hasil ini mengukuhkan bukti bahawa CCNB1IP1 boleh mempengaruhi perkembangan korteks dan bukannya sekadar menandakan perbezaan antara spesies.

Hasil pembelajaran dan ingatan perlu ditafsir dengan teliti

Tikus yang diubah suai dilaporkan menunjukkan prestasi lebih baik dalam ujian pembelajaran dan ingatan. Pracetakan itu menggunakan huraian yang lebih berhati-hati, dengan menyatakan bahawa model tersebut menunjukkan ciri-ciri yang dikaitkan dengan peningkatan kebolehan belajar dan mengingat. Huraian lebih luas tentang eksperimen itu menyebut perbezaan dalam tugasan kognitif tertentu dan menyatakan perlunya kajian lanjut.

Huraian ini menyokong adanya kesan tingkah laku, tetapi berbeza dari segi ketegasan tafsirannya. Tanpa skor berangka, saiz sampel atau huraian terperinci bagi setiap tugasan di sini, tahap dan skop peningkatan yang dilaporkan tidak dapat dinilai. Prestasi lebih baik dalam ujian tertentu pada tikus bukan bukti bahawa haiwan itu memperoleh kebolehan kognitif manusia.

Pelipatan korteks sahaja tidak menentukan kecerdasan. Kajian ini menghubungkan pengawalan gen, proliferasi sel, anatomi dan tingkah laku, tetapi tidak mengasingkan perubahan perkembangan yang menyebabkan perbezaan tingkah laku tersebut. Untuk membuktikannya, kajian lanjut tentang hubungan saraf dan fungsi litar yang berubah diperlukan.

Penjelasan yang berkembang, dengan garis masa penerbitan

Kajian ini menambah gen purba kepada mekanisme yang dipertimbangkan dalam evolusi korteks primat. Ia tidak mengetepikan penemuan tentang gen khusus manusia. Sebaliknya, kajian ini menyokong penjelasan bahawa gen yang baru berevolusi dan perubahan dalam pengawalan gen lama boleh sama-sama menyumbang.

Perbezaan itu sepadan dengan hasil perbandingan. Pembesaran korteks berlaku merentas garis keturunan primat, bukan hanya selepas kemunculan garis keturunan manusia. Sistem pengawal atur yang aktivitinya berbeza antara tupai pokok, monyet, beruk dan manusia menyediakan cara untuk mengkaji corak yang lebih luas itu.

Rekod penerbitan turut membezakan manuskrip awal daripada penerbitan jurnalnya yang kemudian:

• 9 Disember 2024: Pracetakan disiarkan dengan DOI 10.1101/2024.12.08.627376. Ia belum menjalani semakan rakan setara.
• Penerbitan kemudian: Halaman pracetakan merekodkan bahawa versi yang telah disemak rakan setara kemudiannya diterbitkan dalam Nature Genetics.

Status pracetakan ketika disiarkan tidak harus dikelirukan dengan status artikel jurnal yang diterbitkan kemudian. Dakwaan utamanya ialah perubahan ekspresi CCNB1IP1 mungkin menyumbang kepada evolusi otak primat secara beransur-ansur, satu kesimpulan yang lebih terhad berbanding mengenal pasti satu punca tunggal kecerdasan manusia.

Perkara yang masih perlu dibuktikan

Beberapa persoalan masih belum terjawab. Peranan sebab-akibat faktor transkripsi yang dikaitkan dengan CRE1 perlu diuji dengan lebih lanjut semasa perkembangan korteks primat. Kesan CCNB1IP1 terhadap hubungan saraf dan fungsi kognitif tertentu juga memerlukan penelitian lebih dekat.

Penemuan ini mungkin memberikan petunjuk untuk penyelidikan tentang gangguan perkembangan saraf kerana ia mengenal pasti mekanisme yang mempengaruhi pembahagian progenitor dan penghasilan neuron. Ini ialah arah penyelidikan, bukannya bukti tentang rawatan, ujian diagnostik atau peranan yang telah dibuktikan dalam gangguan tertentu.

Tiada tarikh eksperimen seterusnya atau jadual klinikal diumumkan dalam laporan ini. Sumbangan serta-merta kajian ini ialah rangkaian bukti yang menghubungkan DNA pengawal atur, ekspresi gen, pembahagian sel dan anatomi korteks. Sejauh mana mekanisme ini menyumbang kepada perbezaan antara spesies primat tertentu masih perlu dibuktikan.

Perkara Utama

• Penyelidik yang diketuai Shi Lei mengaitkan gen purba CCNB1IP1 dengan pembesaran dan pelipatan korteks primat.
• Ekspresinya serupa pada tupai pokok dan marmoset, lebih tinggi pada makaka dan paling tinggi pada manusia.
• Jujukan pengawal atur CRE1 mengawal ekspresi, dan perbezaan A kepada G mempengaruhi aktivitinya dalam eksperimen.
• CCNB1IP1 memendekkan fasa G1 progenitor saraf dan meningkatkan proliferasinya.
• Sesetengah tikus yang diubah suai mengalami lipatan korteks dan menghasilkan lebih banyak neuron pada lapisan atas.
• Kesan terhadap pembelajaran dan ingatan dilaporkan, tetapi pelipatan sahaja tidak menentukan kecerdasan.
• Pracetakan yang disiarkan pada Disember 2024 mendahului penerbitan dalam Nature Genetics.