Les humains modernes génèrent plus de neurones cérébraux que les Néandertaliens

Des chercheurs de l’Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) à Dresde montrent maintenant que la variante humaine moderne de la protéine TKTL1, qui ne diffère que par un seul acide aminé de la variante de Néandertal, augmente un type de progéniteur cérébral cellules, appelées glie radiale basale, dans le cerveau humain moderne. Les cellules gliales radiales basales génèrent la majorité des neurones du néocortex en développement, une partie du cerveau cruciale pour de nombreuses capacités cognitives. Comme l’activité de TKTL1 est particulièrement élevée dans le lobe frontal du cerveau humain fœtal, les chercheurs concluent que cette seule substitution d’acides aminés spécifique à l’homme dans TKTL1 sous-tend une plus grande production de neurones dans le lobe frontal en développement du néocortex chez l’homme moderne que chez l’homme de Néandertal.

Seul un petit nombre de protéines présentent des différences dans la séquence de leurs acides aminés – les éléments constitutifs des protéines – entre les humains modernes et nos parents disparus, les Néandertaliens et les Denisoviens. La signification biologique de ces différences pour le développement du cerveau humain moderne est largement inconnue. En fait, les humains modernes et les Néandertaliens disposent tous deux d’un cerveau, et notamment d’un néocortex, de taille similaire, mais on ne sait pas si cette taille de néocortex similaire implique un nombre similaire de neurones. La dernière étude du groupe de recherche de Wieland Huttner, l’un des directeurs fondateurs du Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) à Dresde, réalisée en collaboration avec Svante Pääbo, directeur du Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology à Leipzig, et Pauline Wimberger de l’hôpital universitaire de Dresde et leurs collègues, abordent précisément cette question. Les chercheurs se concentrent sur l’une de ces protéines qui présente un seul changement d’acide aminé chez pratiquement tous les humains modernes par rapport aux Néandertaliens, la protéine transketolase-like 1 (TKTL1). Plus précisément, chez l’homme moderne, TKTL1 contient une arginine à la position de séquence en question, alors que chez l’homme de Néandertal TKTL1, il s’agit de la lysine, un acide aminé apparenté. Dans le néocortex humain fœtal, TKTL1 se trouve dans les cellules progénitrices néocorticales, les cellules dont dérivent tous les neurones corticaux. Notamment, le niveau de TKTL1 est le plus élevé dans les cellules progénitrices du lobe frontal.

TKTL1 humain moderne, mais pas TKTL1 néandertalien, conduit à plus de neurones dans le néocortex embryonnaire de souris

Anneline Pinson, l’auteur principal de l’étude et chercheuse dans le groupe de Wieland Huttner, a entrepris d’étudier l’importance de ce changement d’acide aminé pour le développement du néocortex. Anneline et ses collègues ont introduit l’humain moderne ou la variante néandertalienne de TKTL1 dans le néocortex d’embryons de souris. Ils ont observé que les cellules gliales radiales basales, le type de progéniteurs néocorticaux considérés comme la force motrice d’un cerveau plus gros, augmentaient avec la variante humaine moderne de TKTL1 mais pas avec la variante néandertalienne. En conséquence, les cerveaux des embryons de souris avec le TKTL1 humain moderne contenaient plus de neurones.

Plus de neurones dans le lobe frontal des humains modernes

Après cela, les chercheurs ont exploré la pertinence de ces effets pour le développement du cerveau humain. À cette fin, ils ont remplacé l’arginine dans le TKTL1 humain moderne par la lysine caractéristique du TKTL1 de Néandertal, en utilisant des organoïdes du cerveau humain – des structures miniatures ressemblant à des organes qui peuvent être cultivées à partir de cellules souches humaines dans des boîtes de culture cellulaire en laboratoire et qui imitent les aspects du développement précoce du cerveau humain. “Nous avons constaté qu’avec le type d’acide aminé de Néandertal dans TKTL1, moins de cellules gliales radiales basales étaient produites qu’avec le type humain moderne et, par conséquent, également moins de neurones”, explique Anneline Pinson. “Cela nous montre que même si nous ne savons pas combien de neurones le cerveau de Néandertal avait, nous pouvons supposer que les humains modernes ont plus de neurones dans le lobe frontal du cerveau, où l’activité TKTL1 est la plus élevée, que les Néandertaliens.” Les chercheurs ont également découvert que le TKTL1 humain moderne agit par des changements dans le métabolisme, en particulier une stimulation de la voie des pentoses phosphates suivie d’une synthèse accrue des acides gras. De cette manière, on pense que le TKTL1 humain moderne augmente la synthèse de certains lipides membranaires nécessaires pour générer le long processus de cellules gliales radiales basales qui stimule leur prolifération et, par conséquent, pour augmenter la production de neurones.

“Cette étude implique que la production de neurones dans le néocortex au cours du développement fœtal est plus importante chez l’homme moderne qu’elle ne l’était chez l’homme de Néandertal, en particulier dans le lobe frontal”, résume Wieland Huttner, qui a supervisé l’étude. “Il est tentant de supposer que cela a favorisé les capacités cognitives humaines modernes associées au lobe frontal.”