Altes Gen CCNB1IP1 mit Wachstum und Faltung des Primatengehirns in Verbindung gebracht

Ein altes Gen mit veränderter Rolle bei der Gehirnentwicklung

Ein einzelner DNA-Baustein in einer regulatorischen Sequenz trug in Experimenten dazu bei, die Aktivität eines uralten Gens zu steigern. Die Untersuchungen sollten klären, wie Primatengehirne größer wurden und mehr Faltungen entwickelten. Forschende unter der Leitung von Shi Lei am Kunming Institute of Zoology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften identifizierten CCNB1IP1 als einen Faktor, der zu diesem Prozess beiträgt. Damit verknüpften sie Veränderungen der Genregulation mit einem schnelleren Wachstum neuronbildender Zellen.

Das Team arbeitete mit internationalen Partnern zusammen und stellte fest, dass CCNB1IP1 bei Makaken stärker exprimiert wurde als bei Spitzhörnchen und Krallenaffen, bei Menschen war die Expression am höchsten. Anschließend untersuchten die Forschenden eine mögliche Kausalkette: Eine stärkere regulatorische Aktivität erhöhte die Genexpression, das Gen beschleunigte einen Teil des Zellteilungszyklus und neurale Vorläuferzellen vermehrten sich schneller. Bei einigen genetisch veränderten Mäusen bildeten sich Faltungen in der normalerweise glatten Großhirnrinde.

Die in Nature Genetics veröffentlichten Ergebnisse erweitern eine Erklärung der Gehirnevolution, die sich häufig auf Gene konzentriert hat, die in der menschlichen Abstammungslinie neu hinzugekommen sind. CCNB1IP1 ist ein älteres Gen, das bei Säugetieren konserviert ist. Die Forschung legt nahe, dass auch Veränderungen daran, wann und wie stark ein solches Gen aktiv ist, zur schrittweisen Vergrößerung des Primatenneokortex beitragen können.

Diese Unterscheidung ist wichtig. Ein Gen muss nicht erstmals auftreten, um eine größere Rolle in der Entwicklung zu übernehmen. Veränderungen in benachbarten DNA-Abschnitten, die seine Aktivität steuern, können beeinflussen, wie viel von dem entsprechenden Protein eine Zelle herstellt. Das kann sich auf Zahl und Typ der Zellen auswirken, die während der Gehirnentwicklung entstehen.

Entwickelnde Gehirne von fünf Arten im Vergleich

Die Forschenden verglichen transkriptomische Daten aus verschiedenen Schichten der embryonalen Großhirnrinde von Mäusen, Spitzhörnchen, Krallenaffen, Makaken und Menschen. Bei einer transkriptomischen Analyse wird die von aktiven Genen produzierte RNA gemessen. So können Forschende Muster der Genexpression in unterschiedlichen Geweben und Arten vergleichen.

Spitzhörnchen dienten als Außengruppe: Sie sind nahe Verwandte außerhalb der Primatengruppe und helfen dabei zu untersuchen, welche Merkmale möglicherweise älter sind als die Primatenevolution. CCNB1IP1 war bereits im Gehirn der Spitzhörnchen aktiv. Das stützt die Schlussfolgerung, dass seine Expression im Gehirn nicht ausschließlich beim Menschen oder überhaupt erst bei Primaten entstanden ist.

Die Expression nahm nicht zwischen jeder Art gleichmäßig zu. Bei Krallenaffen, deren Großhirnrinde weitgehend glatt ist, war sie ähnlich hoch wie bei Spitzhörnchen. Bei Makaken, deren Großhirnrinde Faltungen aufweist, war die Expression höher; bei Menschen erreichte sie ihren höchsten Wert. Die Forschenden fanden außerdem positive Zusammenhänge zwischen der Expression, dem Gehirngewicht und dem Ausmaß der Faltung der Großhirnrinde.

Shi Lei, der das Team am Kunming Institute of Zoology leitete, beschrieb den Zusammenhang zwischen Genaktivität und Gehirnstruktur:

Das Expressionsniveau dieses uralten Gens steht in engem Zusammenhang mit dem Ausmaß der Faltung der Großhirnrinde.

Diese Vergleiche zeigen ein evolutionäres Muster. Eine Korrelation allein kann jedoch nicht belegen, dass eine stärkere Genaktivität eine größere oder stärker gefaltete Großhirnrinde verursacht. Deshalb gingen die Forschenden über den Artenvergleich hinaus: Sie veränderten regulatorische DNA und untersuchten das Gen in sich entwickelnden Zellen und Mäusen.

Warum neuronbildende Zellen wichtig sind

Im Mittelpunkt der zellbiologischen Untersuchungen standen neurale Vorläuferzellen, also unreife Zellen, die sich teilen und Neuronen hervorbringen. In der Großhirnrinde der Maus, die normalerweise glatt bleibt, entstehen Neuronen hauptsächlich aus apikalen Vorläuferzellen in der Ventrikularzone, einem Entwicklungsbereich neben den flüssigkeitsgefüllten Hohlräumen des Gehirns.

Bei Primaten ist eine weitere Region, die sogenannte Subventrikularzone, deutlich größer. Sie enthält basale Vorläuferzellen, die ihre eigene Population vergrößern und zusätzliche Neuronen hervorbringen können. Eine Vermehrung dieser Zellen ist ein Weg, auf dem eine sich entwickelnde Großhirnrinde wachsen kann.

Die Studie brachte eine höhere CCNB1IP1-Expression mit einer stärkeren Vermehrung basaler Vorläuferzellen und einer erhöhten Neuronenproduktion in Verbindung. Das liefert eine zellbiologische Erklärung für den bei verschiedenen Arten beobachteten Zusammenhang: Eine veränderte Genaktivität könnte die Zahl der Zellen beeinflussen, aus denen die Großhirnrinde entsteht.

Vergrößerung und Faltung hängen zusammen, sind aber nicht gleichbedeutend. Durch Faltungen kann eine größere Oberfläche der Großhirnrinde in den Schädel passen. Die Studie untersuchte, wie eine molekulare Veränderung sowohl zum Gewebewachstum als auch zur Faltung beitragen könnte, ohne nachzuweisen, dass dieses Gen allein eines der beiden Merkmale bestimmt.

CRE1 wirkt als regulatorischer Schalter

Die Forschenden identifizierten eine regulatorische Sequenz namens CRE1, die zu einer erhöhten CCNB1IP1-Expression beiträgt. Es handelt sich um ein cis-regulatorisches Element, also um einen DNA-Abschnitt, der die Aktivität eines Gens auf demselben DNA-Molekül beeinflusst, statt selbst das Protein zu codieren.

Vergleiche eines zentralen Abschnitts dieser Sequenz zeigten eine schrittweise Zunahme der regulatorischen Aktivität von Spitzhörnchen über Affen und Menschenaffen bis hin zum Menschen. Dieses Muster entsprach dem allgemeinen Anstieg der CCNB1IP1-Expression und lenkte den Blick auf die Steuerung des Gens statt lediglich auf sein Vorhandensein.

Eine Position in der zentralen Sequenz erwies sich als besonders aufschlussreich. In der menschlichen Sequenz befand sich an dieser Stelle die DNA-Base G, bei Schimpansen und anderen Primaten dagegen A. Wurde G in der menschlichen Sequenz durch A ersetzt, nahm ihre regulatorische Aktivität ab. Die umgekehrte Veränderung in der Schimpansensequenz erhöhte die Aktivität.

Diese wechselseitigen Experimente lieferten Hinweise darauf, dass der Unterschied bei einem einzelnen DNA-Baustein die Funktion der Sequenz beeinflusste. Vorhersagen und Validierungsexperimente deuteten darauf hin, dass die Veränderung die Bindung zweier Transkriptionsfaktoren beeinflusste. Diese Proteine binden an DNA und helfen dabei, die Genaktivität zu steuern.

Auch das Entfernen der gesamten regulatorischen Sequenz durch Geneditierung verringerte die CCNB1IP1-Expression. Zusammengenommen sprechen die Austausch- und Deletionsexperimente dafür, dass CRE1 die Stärke der Genexpression mitreguliert. Sie belegen jedoch nicht, dass eine einzige menschliche DNA-Veränderung alle regulatorischen Unterschiede erklärt, die sich im Verlauf der Primatenevolution angesammelt haben.

Wie CCNB1IP1 den Zellzyklus beschleunigt

CCNB1IP1 codiert eine Ubiquitin-Ligase, ein Enzym, das Zielproteine mit Ubiquitin-Markierungen versieht. Solche Markierungen können dazu führen, dass ein Protein von der zellulären Abbauapparatur zerstört wird. Die Forschenden stellten fest, dass CCNB1IP1 den Abbau eines Transkriptionsfaktors förderte, der an der Regulation des Zellzyklus beteiligt ist.

In der Folge verkürzte sich die G1-Phase in neuralen Vorläuferzellen. G1 ist der Zeitraum, in dem eine Zelle wächst und sich auf die Verdopplung ihrer DNA vorbereitet. Wird dieser Zeitraum verkürzt, können Vorläuferzellen den Teilungszyklus schneller durchlaufen.

Der Preprint der CCNB1IP1-Studie der Autorinnen und Autoren, veröffentlicht am 9. Dezember 2024, beschreibt ausdrücklich eine Zunahme neuraler Vorläuferzellen durch die Verkürzung der G1-Phase. Im Abstract wird dieser Mechanismus mit der evolutionären Zunahme der Genexpression sowie mit Merkmalen des Lernens und Gedächtnisses im Mausmodell in Verbindung gebracht.

Die vorgeschlagene Abfolge ist damit konkreter als ein bloßer Zusammenhang zwischen einem Gen und der Gehirngröße. Eine erhöhte CCNB1IP1-Aktivität fördert den Abbau eines Regulators des Zellzyklus, verkürzt eine Vorbereitungsphase der Zellteilung und verstärkt die Vermehrung von Vorläuferzellen. Mehr Vorläuferzellen können anschließend mehr Neuronen hervorbringen und so einen möglichen Mechanismus für die Vergrößerung der Großhirnrinde liefern.

Bei einigen veränderten Mäusen bildeten sich Faltungen in der Großhirnrinde

Um zu testen, ob das Gen die Gehirnentwicklung eines Tieres verändern kann, erzeugte das Team mithilfe eines konditionalen Knock-in-Verfahrens Mäuse, die die menschliche Version von CCNB1IP1 in neuralen Vorläuferzellen exprimierten. Bei diesem Verfahren wird ein Gen in das Genom eingefügt und zugleich gesteuert, in welchen Zellen es aktiv wird.

Bei einigen dieser Mäuse bildeten sich Faltungsstrukturen in der Großhirnrinde, obwohl sie bei Mäusen normalerweise glatt ist. Die Forschenden beobachteten außerdem einen Anstieg des lokalen Gyrifizierungsindex, eines Maßes für die Faltung, sowie mehr Neuronen in den oberen Schichten der Großhirnrinde.

Die Unterscheidung zwischen einigen und allen Tieren ist wichtig. Die Ergebnisse zeigen, dass der Eingriff unter den Versuchsbedingungen Faltungen hervorrufen konnte. Sie zeigen nicht, dass alle veränderten Mäuse dieselbe Anatomie entwickelten oder dass ihr Gehirn einem Primatengehirn gleichkam.

Die Zunahme der Neuronen in den oberen Schichten liefert zusätzliche Informationen über die sichtbaren Faltungen hinaus. Sie verknüpft das anatomische Ergebnis mit einer veränderten Neuronenproduktion und stimmt mit den früheren Experimenten zur Vermehrung von Vorläuferzellen überein. Zusammengenommen stärken diese Ergebnisse die Annahme, dass CCNB1IP1 die Entwicklung der Großhirnrinde beeinflussen kann und nicht lediglich Unterschiede zwischen Arten anzeigt.

Ergebnisse zu Lernen und Gedächtnis müssen vorsichtig interpretiert werden

Den Angaben zufolge schnitten die veränderten Mäuse bei Tests zum Lernen und Gedächtnis besser ab. Im Preprint wird dies vorsichtiger formuliert: Das Modell habe Merkmale gezeigt, die mit verbesserten Lern- und Gedächtnisleistungen in Verbindung stehen. In der umfassenderen Darstellung der Experimente werden Unterschiede bei bestimmten kognitiven Aufgaben beschrieben und weitere Untersuchungen gefordert.

Diese Beschreibungen sprechen für einen Verhaltenseffekt, unterscheiden sich aber darin, wie stark sie ihn einordnen. Ohne Angaben zu Punktzahlen, Stichprobengrößen oder einer detaillierten Beschreibung der einzelnen Aufgaben lässt sich das Ausmaß und die Bandbreite der berichteten Verbesserung nicht beurteilen. Ein besseres Abschneiden bei ausgewählten Tests mit Mäusen ist kein Beleg dafür, dass die Tiere menschliche kognitive Fähigkeiten erworben haben.

Die Faltung der Großhirnrinde allein bestimmt nicht die Intelligenz. Die Studie verknüpft Genregulation, Zellvermehrung, Anatomie und Verhalten, klärt aber nicht, welche Entwicklungsveränderung die Verhaltensunterschiede verursacht hat. Um das festzustellen, wären weitere Untersuchungen zu neuronalen Verbindungen und zur Funktion der veränderten Schaltkreise nötig.

Eine sich weiterentwickelnde Erklärung und der zeitliche Ablauf der Veröffentlichung

Die Forschung ergänzt ein uraltes Gen um einen weiteren möglichen Mechanismus der Evolution der Primatenrinde. Sie entkräftet nicht die Erkenntnisse zu Genen, die spezifisch für den Menschen sind. Stattdessen stützt sie eine Erklärung, nach der sowohl neu entstandene Gene als auch Veränderungen der Regulation älterer Gene dazu beitragen können.

Diese Unterscheidung passt zu den Vergleichsergebnissen. Die Großhirnrinde vergrößerte sich in verschiedenen Primatenlinien und nicht erst nach dem Entstehen der menschlichen Abstammungslinie. Ein Regulationssystem, dessen Aktivität sich zwischen Spitzhörnchen, Affen, Menschenaffen und Menschen unterscheidet, bietet eine Möglichkeit, dieses umfassendere Muster zu untersuchen.

Die Veröffentlichungsgeschichte unterscheidet zudem zwischen dem ursprünglichen Manuskript und seiner späteren Veröffentlichung in einer Fachzeitschrift:

• 9. Dezember 2024: Der Preprint wurde unter der DOI 10.1101/2024.12.08.627376 veröffentlicht. Zu diesem Zeitpunkt war er noch nicht durch ein Peer-Review-Verfahren begutachtet worden.
• Spätere Veröffentlichung: Auf der Preprint-Seite ist vermerkt, dass eine begutachtete Fassung später in Nature Genetics veröffentlicht wurde.

Der Status des Preprints zum Zeitpunkt seiner Veröffentlichung ist nicht mit dem Status des späteren Fachartikels gleichzusetzen. Die zentrale Aussage lautet, dass Veränderungen der CCNB1IP1-Expression zur schrittweisen Evolution des Primatengehirns beigetragen haben könnten. Das ist eine engere Schlussfolgerung als die Behauptung, eine einzelne Ursache menschlicher Intelligenz identifiziert zu haben.

Was noch belegt werden muss

Mehrere Fragen sind weiterhin offen. Die kausale Rolle der mit CRE1 verbundenen Transkriptionsfaktoren muss während der Entwicklung der Primatenrinde weiter untersucht werden. Auch die Auswirkungen von CCNB1IP1 auf die neuronale Vernetzung und bestimmte kognitive Funktionen bedürfen einer genaueren Untersuchung.

Die Ergebnisse könnten Hinweise für die Erforschung von Störungen der neuronalen Entwicklung liefern, da sie einen Mechanismus aufzeigen, der Zellteilung in Vorläuferzellen und Neuronenproduktion beeinflusst. Das ist ein Ansatz für die Forschung und kein Beleg für eine Behandlung, einen diagnostischen Test oder eine nachgewiesene Rolle bei einer bestimmten Erkrankung.

In diesen Darstellungen wurden weder ein Termin für das nächste Experiment noch ein Zeitplan für klinische Anwendungen angekündigt. Der unmittelbare Beitrag besteht in einer Beweiskette, die regulatorische DNA, Genexpression, Zellteilung und die Anatomie der Großhirnrinde miteinander verknüpft. Welchen Anteil dieser Mechanismus an den Unterschieden zwischen bestimmten Primatenarten hatte, muss noch geklärt werden.

Wichtige Punkte

• Forschende unter der Leitung von Shi Lei brachten das uralte Gen CCNB1IP1 mit der Vergrößerung und Faltung der Primatenrinde in Verbindung.
• Die Expression war bei Spitzhörnchen und Krallenaffen ähnlich hoch, bei Makaken höher und bei Menschen am höchsten.
• Die regulatorische Sequenz CRE1 steuert die Expression; ein Unterschied zwischen A und G beeinflusste ihre Aktivität in Experimenten.
• CCNB1IP1 verkürzte die G1-Phase neuraler Vorläuferzellen und verstärkte ihre Vermehrung.
• Bei einigen veränderten Mäusen bildeten sich Faltungen in der Großhirnrinde, und sie entwickelten mehr Neuronen in den oberen Schichten.
• Es wurden Effekte auf Lernen und Gedächtnis berichtet, doch die Faltung allein bestimmt nicht die Intelligenz.
• Ein im Dezember 2024 veröffentlichter Preprint ging der Veröffentlichung in Nature Genetics voraus.