08.01.2020 - Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

Krebsartiger Stoffwechsel und die Evolution der menschlichen Gehirngröße

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 hat, 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 im Kraftwerk der Zelle – den Mitochondrien – sitzt und in den Hirnstammzellen einen für Krebszellen charakteristischen Stoffwechselweg in Gang setzt.

Die Forschungsgruppe von 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 einer Schlüsselrolle für ein Gen, das nur beim Menschen und bei unseren nächsten ausgestorbenen Verwandten, den Neandertalern und Denisova-Menschen, vorkommt. Dieses Gen ARHGAP11B bewirkt, dass sich die sogenannten 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.

Dieser Frage ging Takashi Namba, Postdoktorand in der Forschungsgruppe von Wieland Huttner, gemeinsam mit Kollegen vom MPI-CBG, dem Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden (UKD) und der Abteilung für Medizinische Biochemie der Semmelweis-Universität Budapest nach. Er fand heraus, dass das ARHGAP11B Protein in den Mitochondrien sitzt. Diese Organellen erzeugen den größten Teil der chemischen Energie in einer Zelle und werden daher oft als das Kraftwerk der Zelle bezeichnet. Takashi Namba erklärt die Ergebnisse: „Wir fanden heraus, dass ARHGAP11B mit einem Protein in der Membran von Mitochondrien zusammenwirkt, welches eine Membran-Pore 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“.

Wieland 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“.

  • Takashi Namba, Judit Dóczi, Anneline Pinson, Lei Xing, Nereo Kalebic, Michaela Wilsch-Bräuninger, Katherine R. Long, Samir Vaid, Janelle Lauer, Aliona Bogdanova, Barbara Borgonovo, Anna Shevchenko, Patrick Keller, David Drechsel, Teymuras Kurzchalia, Pauline Wimberger, Christos Chinopoulos, Wieland B. Huttner; "Human-specific ARHGAP11B acts in mitochondria to expand neocortical progenitors by glutaminolysis"; Neuron; 26. Dezember 2019.
Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Mitochondrien
  • Stoffwechsel
Mehr über MPI für molekulare Zellbiologie und Genetik
  • News

    Das genetische Geheimnis des Nachtsehens

    Eines der bemerkenswertesten Merkmale des Wirbeltierauges ist seine Netzhaut auf der Augeninnenseite. Überraschenderweise befinden sich die empfindlichen Teile der Fotorezeptorzellen auf der Rückseite der Netzhaut, was bedeutet, dass das Licht erst durch lebendes Nervengewebe reisen muss, b ... mehr

    Lass uns eine Zelle bauen

    Zellen sind die Grundbausteine allen Lebens. Ihr Inneres bietet eine ideale Umgebung, in der die elementaren Moleküle des Lebens interagieren können, um chemische Reaktionen stattfinden zu lassen und somit Leben ermöglichen. Die biologische Zelle ist jedoch sehr komplex, sodass es schwierig ... mehr

    3D-Modell menschlichen Lebergewebes ermöglicht bessere Diagnose

    Die nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) ist in den Industrieländern eine der häufigsten chronischen Lebererkrankungen. Die histologische Analyse des Lebergewebes ist die einzige anerkannte Methode zur Diagnose und Abgrenzung verschiedener Stadien der Erkrankung. Die herkömmliche ... mehr

  • Videos

    Science Café: Die Wunderheiler - Regeneration

    Ein abgerissenes Bein wächst nach, ein abgebissener Schwanz ebenso: Der Axolotl, ein Salamander aus Mexiko, ist wie ein Wunderheiler und kann Verletzungen mit Hilfe von Regeneration selbst beheben. Der Champion der Regeneration ist der Plattwurm: Ihn kann man ihn unzählige Teile zerhacken, ... mehr

    Science Café: CRISPR/Cas

    Mit dem CRISPR/Cas-System können Gene eingefügt, entfernt und ausgeschaltet werden - punktgenau, schnell und effizient. Für die Grundlagenforschung ist das eine wichtiger Fortschritt, und auch im Bereich der Gentherapie bedeutet diese neue Technologie eine riesige Chance. Was aber, wenn die ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

    Das 1998 gegründete Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) ist eines von 80 Instituten der Max-Planck-Gesellschaft, einer unabhängigen, gemeinnützigen Forschungsorganisation in Deutschland. „Wie bilden Zellen Gewebe?“ Das MPI-CBG widmet sich in einer neuartig ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Das genetische Geheimnis des Nachtsehens

    Eines der bemerkenswertesten Merkmale des Wirbeltierauges ist seine Netzhaut auf der Augeninnenseite. Überraschenderweise befinden sich die empfindlichen Teile der Fotorezeptorzellen auf der Rückseite der Netzhaut, was bedeutet, dass das Licht erst durch lebendes Nervengewebe reisen muss, b ... mehr

    Die ersten Salmonellen

    Anhand der Genome des Bakteriums Salmonella enterica, das aus bis zu 6.500 Jahre alten Skeletten gewonnen wurden, gelang es einem internationalen Forschungsteam neue Belege für eine zentrale Hypothese für die Entwicklung von Krankheiten zu finden. Demnach begünstigte der Übergang von einer ... mehr

    Bakterien machen Loopings

    Das magnetotaktische Bakterium Magnetococcus marinus schwimmt mit Hilfe von zwei Bündeln von Geißeln. Außerdem besitzen die Bakterienzellen eine Art intrazelluläre Kompassnadel und können daher mit einem Magnetfeld gesteuert werden. Sie werden deshalb als biologisches Modell für Mikrorobote ... mehr

  • Videos

    Epigenetics - packaging artists in the cell

    Methyl attachments to histone proteins determine the degree of packing of the DNA molecule. They thereby determine whether a gene can be read or not. In this way, environment can influence the traits of an organism over generations. mehr

    Biomaterials - patent solutions from nature

    Animals and plants can produce amazing materials such as spider webs, wood or bone using only a few raw materials available. How do they achieve this? And what can engineers learn from them? mehr

    Chaperone - Faltungshelfer in der Zelle

    In der Zelle geht es manchmal zu wie beim Brezelbacken: Damit ein Protein richtig funktionieren kann muss seine Aminosäurekette in die richtige Form gebracht werden. Franz-Ulrich Hartl erforscht, wie die sogenannten Chaperone als Faltungshelfer der Proteine wirken. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr