Breinverdubbelaar gevonden

Mutatie in één DNA-letter maakt hersenen menselijk

Eén mutatie in de genen van onze voorouders is mogelijk verantwoordelijk voor de grote hersenen die mensen hebben. Die ene verandering zorgde voor een twee keer zo grote hersenschors en daarmee wat de mensaap transformeerde tot mens. Het gen komt in deze variant alleen voor bij de moderne mens, in Neanderthalers en andere oermensen.

door

450px human and chimp brain

Vergelijking van het mensenbrein met het brein van een chimpansee. Yerkes Primate Center CC 2.5

Ongeveer vijf miljoen jaar geleden ontstond een genetische splitsing tussen de chimpansee en de voorouder van de moderne mens. Dat was al langer bekend. Maar Duits onderzoek dat deze week in Science Advances verschijnt, claimt dat pas een miljoen jaar later de beslissende mutatie optrad in het gen ARHGAP11B, wat de omvang van de hersenschors enorm deed toenemen. Eén C-tje werd vervangen door een G-tje in één gen voor hersenontwikkeling.

Een soort bonobo

Zou de mens zonder deze mutatie nu nog steeds een soort chimpansee of bonobo zijn? “Dat is een te stellige uitspraak,” reageert Wieland Huttner, een van de onderzoekers. “We weten niet hoe de menselijke evolutie zonder deze mutatie verlopen zou zijn. Bedenk wel, dat we tot nu toe alleen maar met muizen geëxperimenteerd hebben.”

Bij de ontwikkeling van de hersenen tijdens de groei van een foetus zijn duizenden genen betrokken, maar dat geldt voor muizen net zo goed als voor mensen. En in veel opzichten verloopt de ontwikkeling bij de mens en andere zoogdieren parallel. Hersenonderzoekers hebben lang – en met weinig succes – geprobeerd een vinger achter het genetische verschil tussen mens en dier te krijgen.

Groei van de cortex

Het specifiek menselijke gen ARHGAP11B lijkt daarbij een cruciale rol te spelen. In alle zoogdier-embryo’s ontstaan tijdens de groei van de cortex – de sterk geplooide buitenlaag van de grote hersenen – hersencellen uit voorlopercellen, de basale progenitor cellen (BP-cellen). Maar ARHGAP11B zorgt dat er veel meer BP-cellen ontstaan, die een hele laag van de cortex, de subventriculaire zone, verdubbelen. De cortex wordt dus dubbeldik en rijker aan hersencellen.

2brein

Het verschil tussen de hersenen van een mens en andere diersoorten zit vooral in de cortex, de buitenste, enige millimeters dikke laag hersencellen. Die is bij de mens zo ver uitgegroeid, dat hij alleen extreem geplooid nog in de schedel past. De afbeelding laat een dwarsdoorsnede door een klein stukje cortex zien. De mutatie in het gen ARHGAP11B zorgt voor een verdubbeling van een laag van de cortex, de sub-ventricular zone. Science Advances/M.Florio

Marta Florio en haar collega’s van diverse Max Planck Instituten in Duitsland hadden dit vorig jaar al ontdekt, maar nu hebben ze ook tot op DNA-niveau uitgeplozen hoe dit werkt. Het menselijke gen is afgeleid van een oeroud gen, ARHGAP11A, dat bij heel veel diersoorten voorkomt, zelfs bij het eencellige organisme gist.

Verdubbeling

De menselijke variant is grotendeels een verdubbeling van het oude gen. Verdubbeling van genen kan in zeldzame gevallen ontstaan als bij de celdeling een gen twee keer wordt afgelezen en gekopieerd; daar zijn meer voorbeelden van bekend. Wellicht is dat al gebeurd toen de voorouder van de mens zich evolutionair afsplitste van de chimpansee.

Maar dat is nog niet genoeg om ook een verdubbeling van de subventriculaire laag in de cortex te bewerkstelligen. De onderzoekers ontdekten dat, vergeleken met het oergen, op één plek in ARHGAP11B een ‘letter’ C (het molecuul cysteïne) is vervangen door een ‘letter’ G (het molecuul guanine). Daardoor wordt een heel stuk van het gen niet meer afgelezen en een bepaald eiwit niet meer geproduceerd. Omdat dit eiwit het delen van de BP-cellen remt, stimuleert de C-G-vervanging dit juist.

Mogelijk is dit de mutatie die circa vier miljoen jaar geleden de onstuimige groei van onze hersenen in gang heeft gezet. Als het echt zo simpel is om je hersenen zo’n turbo-boost te geven, waarom is dit dan alleen in de voorouder van de mens gebeurd? Huttner: “Geen enkele andere diersoort heeft dat ‘verdubbelde’ gen, dus kan die mutatie ook niet optreden.”

Neanderthaler fund

Ook de Neanderthaler en andere oerneven van Homo Sapiens hebben het gemuteerde gen voor grotere hersenen. Public Domain, CC0

Fossiel DNA

Als deze genvariant al miljoenen jaren jaar oud is, moet hij zijn ontstaan in een vroege voorouder van de mens waar alle nu bekende mensachtigen van afstammen. Gelukkig is van diverse oerneven van Homo Sapiens fossiel DNA bewaard gebleven en afgelezen, en die lettervolgordes staan in online databanken. Zo was het voor de onderzoekers simpel om te checken, dat ook de Neanderthaler en de Denisovanmens drager zijn van de menseljke genvariant ARHGAP11B. Ook in alle moderne mensen waarvan het DNA afgelezen en beschikbaar is, zit het gen ARHGAP11B, niet ARHGAP11A.

Met nieuwe technieken voor genetische modificatie, zoals Crispr/Cas9 , is het mogelijk om vreemde genen zeer effectief in te bouwen in een organisme. Huttner: “Dit zijn we in ons lab nu aan het doen. We analyseren muizen met een functionerend menselijk ARHGAP11B-gen.” Of die muizen ook andere hersens hebben en intelligenter zijn, daarover wil hij nog niets kwijt:“Die resultaten breng ik via een wetenschappelijke publicatie naar buiten.”