Wissenschaftler der Harvard Medical School, des Boston Children's Hospital und ihrer Mitarbeiter haben einen lebenswichtigen Qualitätskontrollmechanismus im sich entwickelnden fetalen Gehirn entdeckt. Die in dieser Woche in Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass das menschliche Gehirn während der Entwicklung zwar eine Überzahl an Neuronen erzeugt, diejenigen jedoch, die mehrere Kopienzahlvarianten aufweisen – wie DNA-Duplikationen oder -Deletionen –, systematisch zum Zeitpunkt der Geburt entfernt werden.
Das Forschungsteam nutzte die Einzelzell-Genomsequenzierung, um über 1.500 Neuronen von 16 Individuen zu analysieren und validierte die Ergebnisse durch eine tiefere Sequenzierung von mehr als 800 Neuronen von weiteren 12 Personen. Ihre Daten zeigten, dass fast 26 Prozent der Neuronen in der pränatalen Rinde weit verbreitete Kopienzahlvarianten aufwiesen. Dieser Wert sank jedoch nach der Geburt schnell auf einen Durchschnitt von 6,2 Prozent ab. Die Wissenschaftler beobachteten, dass Neuronen mit diesen umfangreichen genetischen Veränderungen hauptsächlich perinatal eliminiert wurden, ein Zeitplan, der Perioden des programmierten Zelltods entspricht.
Laut der Studie mit dem Titel „Perinatale Elimination genetisch aberranter menschlicher kortikaler Neuronen“ beeinträchtigen diese genomischen Störungen wahrscheinlich die Fähigkeit der Neuronen, Synapsen zu bilden. Durch die Sequenzierung von DNA und RNA aus über 44.000 einzelnen Zellen stellten das Team fest, dass abnormale Neuronen eine unregelmäßige Expression von Genen aufwiesen, die für die Bildung und Aufrechterhaltung neuronaler Verbindungen unerlässlich sind. Dieses Versagen, kritische Verbindungen während der fetalen Entwicklung herzustellen, löst ihre Elimination aus, was die Forscher als darwinistischen Wettbewerb ums Überleben beschreiben.
Christopher Walsh, MD, PhD, ein mitseniorer Autor und Professor am Boston Children's Hospital, wies auf die unerwartete Häufigkeit dieser Varianten in der frühen Entwicklung hin, erklärte jedoch, dass dies mit bekannten Prozessen der übermäßigen Neuronenbildung übereinstimmt. Er betonte, dass dieser Kampf um synaptische Verbindungen als Qualitätskontrollmechanismus der Natur dient. Diane Shao, MD, PhD, eine miterste Autorin, fügte hinzu, dass Störungen dieses Systems zu neuroentwicklungsbedingten Störungen wie Autismus, Schizophrenie, Epilepsie und geistiger Behinderung beitragen könnten.
Während die Studie bestätigt, dass fehlerhafte Neuronen auch im Erwachsenenalter langsamer eliminiert werden, findet das primäre Beschneidungsereignis perinatal statt. Die Forscher untersuchen nun, ob dieser Eliminationsprozess bei Personen mit Autismus und anderen neuroentwicklungsbedingten Erkrankungen unterschiedlich verläuft. Sie erforschen auch die potenzielle Rolle dieses Mechanismus bei im Erwachsenenalter auftretenden neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit, um zukünftige Behandlungen für Zustände zu verbessern, bei denen die neuronale Entwicklung schiefgeht.