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Krebsartiger Stoffwechsel und die Evolution der menschlichen Gehirngröße

06.01.2020

Wirkungsmechanismus des menschenspezifischen Gens für Hirngröße entschlüsselt

Die Größe des menschlichen Gehirns hat im Laufe der Evolution erheblich zugenommen. Ein bestimmtes Gen, das nur der Mensch hat, veranlasst die Hirnstammzellen, einen größeren Pool an Stammzellen zu bilden.


Das ARHGAP11B-Protein (Magenta) ist in den Mitochondrien vorhanden. Der Zellkern wird durch DAPI (blau) visualisiert.

Namba et al. / MPI-CBG

Folglich können mehr Nervenzellen gebildet werden, was die Voraussetzung für ein größeres Gehirn ist. Die Wirkungsweise dieses Hirngrößen-Gens ARHGAP11B war bisher völlig unbekannt.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden haben nun herausgefunden, wie ARHGAP11B funktioniert: Sie zeigen, dass das ARHGAP11B Protein im Kraftwerk der Zelle – den Mitochondrien – sitzt und in den Hirnstammzellen einen für Krebszellen charakteristischen Stoffwechselweg in Gang setzt. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Zeitschrift Neuron veröffentlicht.

Die Forschungsgruppe von Wieland Huttner, einem der Gründungsdirektoren des MPI-CBG, erforscht seit vielen Jahren die molekularen Mechanismen, die der Vergrößerung des Gehirns während der Evolution von Säugetieren zugrunde liegen. Im Jahr 2015 berichteten die Forscher von einer Schlüsselrolle für ein Gen, das nur beim Menschen und bei unseren nächsten ausgestorbenen Verwandten, den Neandertalern und Denisova-Menschen, vorkommt.

Dieses Gen ARHGAP11B bewirkt, dass sich die sogenannten basalen Hirnstammzellen vermehren und dadurch mehr Nervenzellen gebildet werden können, was letztendlich zu einem größeren und gefalteten Gehirn führt. Wie das Gen innerhalb der basalen Hirnstammzellen arbeitet, war bisher nicht bekannt.

Dieser Frage ging Takashi Namba, Postdoktorand in der Forschungsgruppe von Wieland Huttner, gemeinsam mit Kollegen vom MPI-CBG, dem Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden (UKD) und der Abteilung für Medizinische Biochemie der Semmelweis-Universität Budapest nach. Er fand heraus, dass das ARHGAP11B Protein in den Mitochondrien sitzt.

Diese Organellen erzeugen den größten Teil der chemischen Energie in einer Zelle und werden daher oft als das Kraftwerk der Zelle bezeichnet. Takashi Namba erklärt die Ergebnisse: „Wir fanden heraus, dass ARHGAP11B mit einem Protein in der Membran von Mitochondrien zusammenwirkt, welches eine Membran-Pore steuert.

Als Folge dieser Wechselwirkung schließen sich die Poren in der Membran und verhindern so den Austritt von Kalzium aus den Mitochondrien. Die dadurch entstehende höhere Kalziumkonzentration veranlasst die Mitochondrien, über den Stoffwechselweg Glutaminolyse chemische Energie zu erzeugen. Auf diese Weise kann ARHGAP11B basale Hirnstammzellen dazu bringen, einen größeren Pool von Stammzellen zu bilden“.

Wieland Huttner, der die Studie betreute, unterstreicht die Bedeutung dieser Ergebnisse: „Eine erhöhte Glutaminolyse ist ein Kennzeichen von sich stark vermehrenden Zellen, insbesondere von Tumorzellen. ARHGAP11B könnte also zur evolutionären Vergrößerung des menschlichen Gehirns dadurch beigetragen haben, dass es in den basalen Hirnstammzellen für einen begrenzten Zeitraum während der Hirnentwicklung einen krebsartigen Stoffwechsel ausgelöst hat“.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Wieland Huttner
+49 (0) 351 210 1500
huttner@mpi-cbg.de

Originalpublikation:

Takashi Namba, Judit Dóczi, Anneline Pinson, Lei Xing, Nereo Kalebic, Michaela
Wilsch-Bräuninger, Katherine R. Long, Samir Vaid, Janelle Lauer, Aliona Bogdanova,
Barbara Borgonovo, Anna Shevchenko, Patrick Keller, David Drechsel, Teymuras
Kurzchalia, Pauline Wimberger, Christos Chinopoulos, Wieland B. Huttner: “Human-specific ARHGAP11B acts in mitochondria to expand neocortical progenitors by glutaminolysis” Neuron, 26. Dezember 2019.

Katrin Boes | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik
Weitere Informationen:
https://www.mpi-cbg.de/de/home/

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