Forskere har laget neandertalerliknende “minihjerner” med CRISPR- og stamcelleteknologi

Disse nylig publiserte funnene kan hjelpe forskere til å forstå hvilke genetiske nettverk som førte til utviklingen av det moderne menneskets hjerne.

Neandertalere er en utdødd mennesketype som oppsto for rundt 400.000 år siden. De siste levningene er funnet på Gibraltar, der de døde ut for rundt 32.000 år siden. Denisovanerne, en relativt nyoppdaget art, har man funnet spor av i Russland. Disse vet vi foreløpig lite om, annet enn at de har hatt kontakt, og paret seg med neandertalere.

Neandertalere og mennesker har også hybridisert og fått avkom. En del av genene fra disse hybridiseringene lever videre i oss, mens neandertalerne selv døde ut for noen titalls tusen år siden.

Og nå har forskere altså klart å gjenskape en slags protoversjon av en neandertalsk “mini-hjerne”.

“Mini-hjerner” i petriskåler

Mini-hjerner dyrket frem i petriskåler er ikke lenger noen stor nyhet. I 2019 utkom boken til Nature-redaktør og fysiker, Philip Ball, “How to Grow a Human: Adventures in Who We Are and How We Are Made” som blant annet tar for seg prosjektet “Created out of mind”.

Formålet med dette prosjektet var å reprogrammere hudceller til å bli en type kunstige stamceller, som deretter kan brukes til å dyrke frem nevroner. Disse kan i sin tur bli til det man litt tabloid kaller en «mini-hjerne», eller aller helst en «hjerne-organoide».

Grunnen til at man i akkurat dette prosjektet dyrker frem mini-hjerner, var at man vil studere genetikken hos mennesker med nevrodegenerative disposisjoner, som for eksempel Alzheimers sykdom.

Den typen vev det her er snakk om, altså mini-hjernen, mangler den detaljerte strukturen som skal til for å bli et ordentlig organ, men det viser likevel tegn til å «ville» utvikle seg til å bli en ekte hjerne. Mangelen på signaler fra miljøet rundt hindrer det fra å utvikle seg videre.

Små celleklumper dyrket frem i en petriskål kan klare å gjenskape noen aspekter ved deler av hjernen, men er ikke ment å representere hele hjernen og dens kompleksitet.

Selv om man via dyreforsøk har kommet frem til fundamentale innsikter i hjernens utvikling, har forskerne benyttet seg av organoider nettopp fordi det er grenser for hvor mange biologiske innsikter man kan ekstrapolere fra andre dyrearter, og overføre til mennesker.

Som et eksempel behandles Alzheimer’s sykdom med stort hell hos mus, men ikke hos mennesker.

Innovativ forskning

Dette er forskning som fremdeles er i støpeskjeen, men det har ikke hindret forskere i å benytte seg av innovativ teknologi i jakten på innsikt i nevrologien til neandertalerhjernen, og ikke minst hvordan den skiller seg fra vår.

Arbeidet pågikk allerede i 2018. Frem til da var forskerne henvist til å analysere form og volum på innsiden av fossilerte hodeskaller, når de skulle søke etter svar.

Men i 2018 satte man i gang et samarbeid hvor man gjorde bruk av tre forskjellige fagområder; aDNA (ancientDNA), genredigeringsverktøyet CRISPR og organoider bygget opp av stamceller.

Disse bød på et utfordrende, dog høyst innovativt alternativ til de mulighetene man hadde tidligere.

Alysson Muotri, genetiker ved UCDS School of Medicine, og hans forskningsgruppe arbeidet med å konstruere stamceller som inkluderte neandertalergener, for på den måten å dyrke frem mini-hjerner som reflekterte påvirkningen av aDNA.

Hans gruppe manipulerte stamceller som var tilsatt neandertaler-DNA, og som formet erte-lignende masser som liknet hjernens cortex, altså det ytre laget av en ekte hjerne.

Sammenliknet med cortex-hjerneorganoider laget av moderne menneskeceller, har neandertalerorganoidene en annen form. I tillegg til forskjeller i det nevrale nettverket, så man noen nettverk som kunne ha med denne mennesketypens sosialiseringsegenskaper å gjøre.

“Vi prøver å gjenskape neandertalerens sinn”, sa Moutri den gang ubeskjedent, til tidsskriftet Science.

Svante Pääbo, nestor innenfor forskning på det som kalles aDNA og leder ved

Max Planck-instituttet for evolusjonær antropologi i Leipzig, sa på det tidspunktet at man forventet at dette arbeidet ville høste skepsis fordi det var så vanskelig å finne ut av hvilke genetiske forskjeller som var “funksjonelt relevante” og at organoidene i tillegg representerte et tidlig stadium av hjernens utvikling.

“Organoidene er langt fra å kunne fortelle oss noe om et voksent individs hjernefunksjon”, poengterte Pääbo, som leder teamet som i 2010 fullsekvenserte neandertalergenomet ved å hente ut aDNA fra tenner og knokler.

Pääbos team hadde også begynt å lage organoider med neandertalegener, men han understreket at teknikken som ble benyttet kunne gi uforutsette mutasjoner.

“Det er mange kontrolleksperimenter som må gjøres, men derfra er jeg ganske så håpefull” sa Pääbo, som selv planla å sammenlikne hjerneorganoider fra neandertalere med organoider som er laget av sjimpanser eller moderne menneskeceller.

Gjennombrudd i 2021

Nå har endelig Muotri og hans team publisert studien “Reintroduction of the archaic variant of NOVA1 in cortical organoids alters neurodevelopment”. Den stod på trykk i Science i forrige uke, og her kan de fortelle hvordan de har benyttet genredigeringsteknikken CRISPR–Cas9 til å introdusere et gen kalt NOVA1, inn i menneskelige pluripotente stamceller.

Det moderne NOVA1 genet skiller seg fra den arkaiske varianten, som fremdeles finnes i andre primater, med ett enkelt basepar, som forskerne altså har redigert inn i stamceller.

“Det faktum at alle mennesker, eller nesten alle mennesker, har denne versjonen og ikke den gamle, betyr at den gav oss en voldsom fordel på visse tidspunkter underveis i evolusjonen. Spørsmålet er hvilke fordeler dette faktisk er”, forteller Moutri til Nature.

Forskerne endret som nevnt et eneste basepar i NOVA1, og kunne på den måten konvertere et moderne gen til en arkaisk versjon.

Av dette har de dyrket frem organoider, klumper av hjerneliknende vev, med en diameter på opptil fem millimeter, i tillegg til at de har konstruert normale menneskelige hjerneorganoider, for å kunne sammenlikne den arkaiske med den moderne versjonen.

For å avgjøre hvilket arkaisk gen som skulle uttrykkes i organoidene, sammenliknet forskerne et bibliotek av menneskelige genomsekvenser, med to nær komplette genomer av neandertalere, samt en denisovaner. De fant 61 gener hvor den moderne utgaven er åpenbart forskjellig fra den arkaiske.

Moutri og kollegaene hans valgte NOVA1 fordi de fant at det er et av de bare 61 genene med moderne sekvenser som man ikke finner i neandertalergenomet, ei heller i genomet til densovanerne, og fordi det har en fremtredende rolle i utviklingen av hjernen.

Dysfunksjon i dette genet og dets tilstøtende nettverk settes i sammenheng med nevrologiske lidelser som autisme og schizofreni.

Klare forskjeller i neandertalerorganoidene

Det ble straks klart at organoidene som uttrykker den arkaiske varianten av NOVA1 var annerledes enn de menneskelige organoidene.

Menneskelige hjerneorganoider har en glatt og sfærisk form, mens organoidene laget av aDNA hadde røffere, mer komplekse overflater, samtidig som de var mindre, Dette er trolig på grunn av forskjellene i hvordan cellene vokser og deler seg, sier forfatterne av studien.

Muotri og medarbeiderne hans startet med hudceller fra en “nevrotypisk” person, altså et individ som ikke har noen kjente genetiske koblinger til nevrologiske lidelser, for så å manipulere disse til å bli til pluripotente stamceller.

Ved å bruke CRISPR, kunne teamet sikte seg inn på NOVA1, og få det neandertalske baseparet til å ta plassen til baseparet til mennesket.

For å unngå å bli villedet av “off-target” DNA-endringer som følge av bruken av CRISPR, nemlig at det kan oppstå uspesifikke og utilsiktede genetiske modifikasjoner, samt feil som kan oppstå når man produserer stamceller, sekvenserte de genene de laget, og kvittet seg med celler med utilsiktede mutasjoner.

Oppsiktsvekkende funn

Moutris team sammenliknet disse med menneskelige hjerneorganoider, under identiske forhold, og fant de at de nevrale cellene med arkaisk NOVA1, endret organoidens vekst, utseende og elektriske aktivitet.

Den modifiserte organoiden modnet raskere, og antok som nevnt en ujevn kompleks overflate i stedet for en glatt.

Den elektriske aktiviteten akselererte raskere enn i den moderne organoiden, og kontakten mellom synapsene viste seg å være avhengige av litt andre versjoner og interaksjoner av typiske nøkkelproteiner.

De elektriske impulsene var heller ikke så synkroniserte som i den menneskelige organoiden.

I tillegg til de strukturelle forskjellene i organoidene, fant forskningsgruppen at det arkaiske genet induserte signifikante endringer i uttrykket av 277 andre gener.

NOVA1 har en funksjon når det kommer til å regulere dannelsen av synapser mellom nevroner, og kan dermed fortelle oss noe om hva som skiller oss fra våre neandetalerslektninger.

Professor i fysikk Gaute Einevoll ved Universitetet for bio- og miljøvitenskap på Ås, har beregningsorientert nevrovitenskap som forskningsområde og samarbeider for tiden med Alysson Moutri om et stamcelleprosjekt som riktignok ikke har noe med den her omtalte neandertalerstudien å gjøre.

- Det er langt fra en organoide til en ordentlig hjerne, poengterer Einevoll. - Likevel er disse organoidene kanskje den beste muligheten vi har til å studere, for eksempel, hvordan genetisk variasjon som observeres hos mennesker, enten de er moderne eller arkaiske, påvirker nettverkene av nerveceller. Så jeg synes dette er et veldig spennende og fremtidsrettet studium.

Moutri og forskningsgruppen hans har fått blod på tann. Nå som de har en protokoll på plass, kan de utvide studiene av arkaiske genvarianter. Etter å ha klart å identifisere effekten av ett neandertalergen, er de klare til å utforske de neste 60.