ネアンデルタール人と現代人の脳の違い

カリフォルニア大学の研究チームは、現代人とネアンデルタール人らの脳の違いについて調査しました。
幹細胞を元に構築した「脳オルガノイド」モデルを使用し、それらの違いを分析した結果、細胞の増殖方法など様々な点で異なっている事を発見しました。

Evolutionary studies rely heavily on two tools — genetics and fossil analysis — to explore how a species changes over time. But neither approach can reveal much about brain development and function because brains do not fossilize, Muotri said. There is no physical record to study.

参照元：https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/how-a-single-gene-alteration-may-have-separated-modern-humans-from-predecessors
– カリフォルニア大学サンディエゴ校 University of California SanDiego.February 11, 2021 –

単一の遺伝子の変化が現代の人間を前任者からどのように分離したのか
新しい研究では、現在絶滅したネアンデルタール人を模倣するように遺伝子組み換えされた脳オルガノイドを使用しました

カリフォルニア大学サンディエゴ校医学部の小児科および細胞および分子医学の教授として、Alysson R. Muotri氏は、脳がどのように発達し、神経障害で何がうまくいかないかを長い間研究してきました。

ほぼ同じくらい長い間、彼は人間の脳の進化にも興味を持っていました。

関心の内容は、何の影響で私たちの最も近い進化の親戚である以前のネアンデルタール人やデニソワ人とは大きく異なり、現在は絶滅したのか、です。

進化論の研究は、種が時間とともにどのように変化するかを調査するために、遺伝学と化石分析の2つのツールに大きく依存しています。

しかし、どちらのアプローチも、脳が化石化しないため、脳の発達と機能について多くを明らかにすることはできない、とムオトリ氏は述べます。

研究する物理的な記録はありません。

そこでMuotri氏は、進化的再構築にはあまり適用されないツールである幹細胞を試すことにしました。

他の細胞タイプの自己複製前駆細胞である幹細胞は、脳オルガノイド、つまり実験用皿の「ミニブレイン」を構築するために使用できます。

Muotri氏らは、ヒトをチンパンジーやボノボなどの他の霊長類と比較するための幹細胞の使用を開拓してきましたが、これまで絶滅種との比較は不可能と考えられていました。

2021年2月11日にScienceで発表された研究で、Muotri氏のチームは、約260万年から11、700年前の更新世の時代に住んでいたネアンデルタール人とデニソワ人との多様な現代人のゲノムの違いをカタログ化しました。

彼らが1つの遺伝子で見つけた変化を模倣して、研究者たちは幹細胞を使って「ネアンデルタール人化」した脳オルガノイドを操作しました。

研究の上級著者であり、UCサンディエゴ幹細胞再生医療プログラムのディレクターであり、サンフォードコンソーシアムのメンバーであるMuotri氏は話します。

「ヒトDNAの単一の塩基対の変化が脳の配線方法を変えることができるのを見るのは魅力的です。私たちは進化の歴史の中でいつどのように変化が起こったのか正確にはわかりません。しかしそれは重要であるように思われ、社会的行動、言語、適応、創造性、テクノロジーの使用における現代の能力のいくつかを説明するのに役立つでしょう。」

チームは当初、現代人と絶滅した親戚の間で異なる61個の遺伝子を発見しました。

これらの変更された遺伝子の1つであるNOVA1-は、初期の脳の発達中に他の多くの遺伝子に影響を与えるマスター遺伝子調節因子であるため、Muotri氏の注目を集めました。

研究者らは、CRISPR遺伝子編集を使用して、NOVA1にネアンデルタール人のような変異を持つ現代のヒト幹細胞を操作しました。

それから彼らは幹細胞を誘導して脳細胞を形成し、最終的にはネアンデルタール人化した脳オルガノイドを形成しました。

脳オルガノイドは、幹細胞によって形成される脳細胞の小さなクラスターですが、正確には脳ではありません（たとえば、血管などの他の臓器系との接続が不足しています）。

それでも、オルガノイドは、遺伝学、病気の発症、感染症や治療薬への反応を研究するための有用なモデルです。

Muotri氏のチームは、脳オルガノイド構築プロセスを最適化して、人間の脳によって生成されるものと同様の組織化された電気振動波を実現しました。

ネアンデルタール人化された脳オルガノイドは、肉眼でさえ、現代の人間の脳オルガノイドとは非常に異なって見えました。

彼らは明らかに異なった形をしていました。

深く覗き込むと、チームは、現代の脳オルガノイドとネアンデルタール人化された脳オルガノイドも、細胞の増殖方法やシナプス（ニューロン間の接続）の形成方法が異なることを発見しました。

シナプスに関与するタンパク質でさえ異なっていました。

そして、電気インパルスは初期の段階でより高い活動を示しましたが、ネアンデルタール人化された脳オルガノイドのネットワークでは同期しませんでした。

Muotri氏によれば、ネアンデルタール人化された脳オルガノイドのニューラルネットワークの変化は、新生児の非ヒト霊長類がヒトの新生児よりも迅速に新しい能力を獲得する方法と平行しています。

Moutori氏は話します。

「この研究は、現代人と私たちの絶滅した親戚の間で異なる1つの遺伝子のみに焦点を当てました。次に、他の60の遺伝子と、それぞれ、または2つ以上の組み合わせが変更されたときに何が起こるかを調べたいと思います。」

「私たちは、幹細胞生物学、神経科学、古遺伝学のこの新しい組み合わせを楽しみにしています。祖先の遺伝的変異を持つ脳オルガノイドを使用して、ネアンデルタール人やデニソワ人などの他の絶滅したヒト族に現代人の比較アプローチを適用する能力は完全に新しい研究分野です。」

この作業を継続するために、Muotri氏は、カリフォルニア大学サンディエゴ校の人類学教授で研究の共著者であるKaterina Semendeferi氏と協力して、新しいUCサンディエゴアーキアル化センター（ArchC）を共同監督しました。

Semendeferi氏は話します。

「この驚くべき幹細胞の働きを、いくつかの種や神経学的状態からの解剖学的比較と統合して統合し、絶滅した親戚の脳機能に関する下流の仮説を立てます。この神経アーキアル化アプローチは、私たちの先祖やネアンデルタール人のような近親者の心を理解するための努力を補完するでしょう。」