Krebsartiger Stoffwechsel sorgt für die menschliche Gehirngröße

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden haben den 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 besitzt, veranlasst die Hirnstammzellen, einen größeren Pool an Stammzellen zu bilden. 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 in den Mitochondrien sitzt und in den Hirnstammzellen einen für Krebszellen charakteristischen Stoffwechselweg in Gang setzt.

Die Forschungsgruppe um Prof. 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 der Schlüsselrolle eines Gens, das nur beim Menschen und bei unseren nächsten ausgestorbenen Verwandten, den Neandertalern und Denisova-Menschen, vorkommt. Dieses Gen ARHGAP11B bewirkt, dass sich die 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.

„ARHGAP11B wirkt mit einem Protein in der Membran von Mitochondrien zusammen, das eine Membranpore 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”, erklärte Takashi Namba, Doktorand in Huttners Arbeitsgruppe.

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.”

Originalpublikation:
Namba T et al: Human-specific ARHGAP11B acts in mitochondria to expand neocortical progenitors by glutaminolysis.
Neuron, 26. Dezember 2019