Kaliforniya Üniversitesi San Diego Tıp Fakültesi’nde pediatri, hücresel ve moleküler tıp profesörü olan Alysson R. Muotri, beynin nasıl geliştiğini ve nörolojik bozukluklarda neyin yanlış gittiğini uzun zamandır incelemekteydi. Neredeyse uzun süredir, insan beyninin evrimini de merak ediyordu. Bizi önceki Neandertallerden ve Denisovalılardan bu kadar farklı kılan şey neydi?
Evrim çalışmaları, bir türün zaman içinde nasıl değiştiğini keşfetmek iki araca dayanır. Genetik ve Fosil analizi… Muotri, beyinlerin fosilleşmemesi nedeniyle gelişim ve işlev hakkında fazla bir şey ortaya koyamayacağını söyledi. Böylece fiziksel bir kayıt bulunmadı.
Muotri Kök Hücreleri Denemeye Karar Verdi!
Bu yüzden Muotri, evrimsel rekonstrüksiyonlarda sıklıkla uygulanmayan bir araç olan kök hücreleri denemeye karar verdi. Kök hücreleri, beyin organoidleri bir laboratuvar tabağında “mini beyinler” oluşturmak için kullandılar. Muotri ve meslektaşları; insanları şempanze ve bonobolar gibi diğer primatlarla karşılaştırmak için kök hücrelerin kullanılmasına öncülük etti. Ancak şimdiye kadar soyu tükenen türlerle bir kıyaslama yapamayız.
Muotri’nin ekibi, Neandertaller ve Denisovalılar arasındaki farklılıkları katalogladı. Araştırmacılar, bir gende buldukları değişikliği taklit ettiler. Ve beynin organoidlerini geliştirmek için kök hücreler kullandılar.
Araştırmanın kıdemli yazarı Muotri: “İnsan DNA’sındaki tek bir baz çifti değişikliğinin beynin bağlantı şeklini değiştirebileceğini görmek büyüleyici” diye belirtti. “Değişimin evrimsel tarihimizde tam olarak nasıl ve ne zaman meydana geldiğini bilmiyoruz. Ancak bu öyle önemli ki sosyal davranış, dil, uyum, yaratıcılık ve teknoloji kullanımındaki bazı modern yeteneklerimizi açıklamaya yardımcı olur.”
Ekip Farklılık Gösteren 61 Gen Buldu
Ekip başlangıçta modern insanlar ve soyu tükenen akrabalarımız arasında farklılık gösteren 61 gen buldu. Bu değişen genlerden biri (NOVA1) Muotri’nin dikkatini çekti. Çünkü bu gen erken beyin gelişimi sırasında diğer birçok geni etkileyen bir ana gen düzenleyicisidir. Araştırmacılar, NOVA1’deki Neandertal benzeri mutasyonla modern insan kök hücrelerini tasarlamak için CRISPR gen düzenlemesini kullandı. Daha sonra kök hücreleri beyin hücrelerini ve nihayetinde Neandertalleşen beyin organoidlerini oluşturmaya ikna etti.
Beyin organoidleri, kök hücrelerin oluşturduğu küçük beyin hücre kümeleridir. Ancak tam olarak beyin değildir (birincisi, kan damarları gibi diğer organ sistemleriyle bağlantıları yoktur). Yine de organoidler, genetik, hastalık gelişimi, enfeksiyonlara ve terapötik ilaçlara tepkileri incelemek için yararlı modellerdir. Muotri’nin ekibi, insan beyni tarafından üretilenlere benzer organize elektriksel salınım dalgaları elde etmek için beyin organoid oluşturma sürecini bile optimize etti.
Neandertalize edilen beyin organoidleri, çıplak gözle bile modern insan beyin organoidlerinden çok farklı görünüyordu. Belirgin şekilde farklı bir şekle sahiplerdi. Ekip daha derinlere baktığında, modern ve Neandertalleştirilmiş beyin organoidlerinin, sinapslarının nasıl oluştuğu açısından da farklılık gösterdiğini buldu. Sinapslarda yer alan proteinler bile farklıydı. Ve elektriksel dürtüler daha erken aşamalarda daha yüksek aktivite gösterdi, ancak Neandertalize beyin organoidlerindeki ağlarda senkronize olmadı.
Muotri’ye göre; Neandertalize edilen beyin organoidlerindeki sinir ağı değişiklikleri, insan olmayan yeni doğan primatların yeni yeteneklere daha hızlı bir şekilde kazandırdı.
Neandertaller gibi yakın akrabalarımızın zihnini anlama çabalarını tamamlayacak!
Muotri,
“Bu çalışma, modern insanlarla soyu tükenen akrabalarımız arasında farklılık gösteren tek bir gene yoğunlaştı. Daha sonra diğer 60 gene ve daha fazlasının bir kombinasyonu değiştiğinde ne olduğuna bir göz atmak istiyoruz.” dedi.
“Kök hücre biyolojisi, sinirbilim ve paleogenomiğin bu yeni kombinasyonunu dört gözle bekliyoruz. Modern insanların karşılaştırmalı yaklaşımını, atalara ait genetik varyantlar taşıyan beyin organoidlerini kullanarak Neandertaller ve Denisovanlar gibi nesli tükenen diğer homininlere uygulama yeteneği tamamen yeni bir çalışma alanıdır. ”
Muotri, Katerina Semendeferi ile yeni ArchC’yi* ortak yönetmek için birlikte çalıştı.
Semendeferi: “Bu şaşırtıcı kök hücre çalışmasını, soyu tükenen akrabalarımızın beyin işlevi hakkında aşağı yönlü hipotezler oluşturmak için çeşitli türlerden ve nörolojik koşullardan anatomik karşılaştırmalarla birleştirip entegre edeceğiz. Bu nöro-archealizasyon yaklaşımı, atalarımızın ve Neandertaller gibi yakın akrabalarımızın zihnini anlama çabalarını tamamlayacak.”
ArchC* Archealization Center
Editör: Aksel Deniz Günal