Springende Gene prägten die Evolution des Gehirns

Was die Studie zeigt

Transposable Elemente wirkten als evolutionäre Boten und verbreiteten essentielle regulatorische Motive, die es dem Säugetiergehirn ermöglichten, komplexere und diversifizierte Genetzwerke zu entwickeln. Quelle: Neuroscience News. TEs sind mobile DNA-Sequenzen, die sich an verschiedenen Stellen im Genom einfügen können.

Obwohl TEs 30–50 % des Säugetiergeoms ausmachen, bleiben ihre Funktionen, insbesondere im zelltypspezifischen Kontext während der Zelldifferenzierung, noch weitgehend unklar, während ein sehr kleiner Anteil davon gelegentlich beeinflusst, ob benachbarte Gene an- oder abgeschaltet werden. Um diese Lücke zu schließen, untersuchten Dr.

Hidenori Nishihara, Associate Professor am Department of Advanced Bioscience der Faculty of Agriculture and Agricultural Technology sowie am Innovation Research Institute der Kindai University in Japan, zusammen mit Herrn Atsushi Komiya vom selben Department, den Beitrag während der Differenzierung. Diese Studie wurde am 09.

Was die Studie zeigt

April 2026 in Band 27, Artikelnummer 114, der Zeitschrift Genome Biology veröffentlicht. „Besonders interessiert sind wir daran, aufzudecken, wie diese Elemente im Laufe der Evolution eingeführt wurden, um komplexe biologische Systeme wie das menschliche Gehirn zu formen.

Durch die Untersuchung dieser Fragen streben wir an, über die traditionelle Unterscheidung zwischen ‚funktionaler' und ‚nicht-funktionaler' DNA hinauszugehen und stattdessen ein integriertes Verständnis dafür zu entwickeln, wie das Genom als Ganzes zur biologischen Funktion und Evolution beiträgt", erklärte Dr.

Nishihara und erläuterte damit die Motivation für diese Studie. Die Genexpression kann durch die Bindung, den sogenannten Transkriptionsfaktoren, verstärkt oder unterdrückt werden.

Was die Studie zeigt

Um besser zu verstehen, wie Transposable Elemente (TEs) die Genregulation während der neuronalen Differenzierung beeinflussen, nutzten die Forscher öffentlich zugängliche genomische Daten und analysierten humane TEs, die für die neuronale Entwicklung kritischen Transkriptionsfaktoren Sox2 und Brn2 gebunden werden.

Die Forscher verglichen die Ergebnisse aus embryonalen Stammzellen (ESCs) mit denen aus differenzierten neuronalen Vorluferzellen (NPCs). Die Studie identifizierte mehr als 20.000 an Transposon- (TE-) Sequenzen gebundene Stellen fr Sox2 und Brn2, darunter endogene Retroviren, die sich whrend der Evolution der Primaten ausweiteten.

Zu diesen zhlen spezifische TE-Familien wie MER51 und MER49, die Bindungsmotive fr Sox2 bzw. Brn2 tragen und so dazu beitragen, regulatorische Sequenzen im gesamten Genom zu verteilen.

Chromatin-Profilierungen zeigten zudem, dass ein Teil

Chromatin-Profilierungen zeigten zudem, dass ein Teil der von Sox2 gebundenen TEs mit dynamischen nderungen der Sox2-Bindung und der cis-regulatorischen" Aktivitt whrend der Differenzierung der NPCs assoziiert ist, was auf eine Rolle bei der Regulation Aktivitt benachbarter Gene hindeutet.

Diese cis-regulatorische Aktivitt wird in einer deutlich greren Anzahl als in ESCs, wobei insbesondere TEs, die sich whrend der Evolution der Sugetiere mit Plazenta entwickelt haben, einen besonders starken Beitrag leisten.

Motiv-Analysen zeigten weiter, dass mindestens 24 TE-Familien zum genomweiten Auftreten von Sox2- und Brn2-Bindungsstellen beitrugen, wobei viele dieser Elemente in NPCs (Neurokretionsprogenitorzellen) enhancerähnliche Funktionen erwarben.

Was die Studie zeigt

Interessanterweise lässt sich ein Teil der Sox2- und Brn2-Bindungsstellen, die sich außerhalb, auf frühe Wirbeltiere zurückführen, einschließlich Reptilien und Fische, was darauf hindeutet, dass das Kernregulatorgerüst für die neuronale Entwicklung vor den Plazentatieren entstand.

Die anschließende Ausbreitung während der Primatenentwicklung die Anzahl der Sox2- und Brn2-bindenden cis-regulatorischen Elemente vergrößert zu haben, was zu über 3.000 Sox2-Bindungsstellen und 500 Brn2-Bindungsstellen in NPCs führte.

Insgesamt stützen diese Ergebnisse ein zweiphasiges Modell der TE-Akquisition im Laufe der Evolution, das sowohl antike als auch jüngere Expansionen umfasst, die gemeinsam die modernen Genregulationsnetzwerke geformt haben.

Was die Studie zeigt

Die zentrale Erkenntnis dieser Studie ist, dass regulatorische Elemente, die aus dem TE-Material (transposable elements) stammen und funktionelle Veränderungen in den Sox2-Bindungsprofilen aufweisen, an der neuronalen Linienbestimmung beteiligt sind – ein Mechanismus, der zuvor unbekannt war.

Die evolutionäre Expansion, gepaart mit dem Erwerb, hat die Genregulation, die der neuronalen Bildung zugrunde liegt, weiter diversifiziert. „Die Ergebnisse verändern grundlegend, wie wir die Genomevolution und -regulation interpretieren, insbesondere bei komplexen Organen wie dem Gehirn, und haben potenzielle Implikationen für die Evolutionsbiologie, die Neurowissenschaften und die medizinische Genomik", so Dr.

Nishihara und erläuterte die Bedeutung ihrer Befunde. Wir hoffen, dass ein tieferes Verständnis der Genregulationsdynamiken, die der neuronalen Entwicklung zugrunde liegen, dazu beitragen wird, die wachsende globale Herausforderung durch neurodegenerative Erkrankungen zu bewältigen.

Was die Studie zeigt

Finanzierungsinformationen Diese Studie wurde durch JSPS KAKENHI Grant Numbers 25H01308, 22K06338 und 25K01110 sowie durch JST CREST Grant Number JPMJCR20S6 unterstützt, alle an Hidenori Nishihara. Wichtige Fragen beantwortet: A: Transposable Elemente (TEs) sind DNA-Abschnitte, die sich innerhalb eines Genoms an verschiedene Positionen bewegen können.

Obwohl sie 30–50 % des menschlichen Genoms ausmachen, galten sie lange als „Müll", bis Wissenschaftler erkannten, dass sie benachbarte Gene aktivieren oder deaktivieren können. A: Sie haben wahrscheinlich die Komplexität unseres Gehirns erhöht.

Durch die Verbreitung neuer regulatorischer Anweisungen im gesamten Genom ermöglichten TEs eine komplexere und diversifizierte Genregulation während der Gehirnentwicklung, insbesondere im Rahmen der Primaten-Evolution.

Technischer Hintergrund

A: Das Verständnis der genauen „Schalter", die eine Stammzelle in einen spezifischen Neuronentyp umwandeln, ermöglicht es Wissenschaftlern, diese Zellen im Labor besser zu kultivieren. Dies könnte zu wirksameren Zellersatztherapien bei neurodegenerativen Erkrankungen führen. Redaktionelle Hinweise: Dieser Artikel wurde News bearbeitet.

Zusätzliche Kontextinformationen wurden ügt.

Über diese Forschungsarbeit zur Genetik und der Evolution des Gehirns Autor: Tamaki Kasuya Quelle: Kindai-Universität Kontakt: Tamaki Kasuya – Kindai-Universität Bild: Das Bild ist der Neuroscience News zugeordnet Ursprüngliche Forschung: Open Access. „Transposable element–mediated evolutionary expansion of Sox2- and Brn2-binding regulatory modules for mammalian neural-cell differentiation" & Atsushi Komiya.

Einordnung fuer Autofahrer

Genome Biology DOI: 10.1186/s13059-026-04050-w Transposable element–mediated evolutionary expansion of Sox2- and Brn2-binding regulatory modules for mammalian neural-cell differentiation Hintergrund In den Genomen von Säugetieren können mindestens mehrere Tausend Kopien (TEs) als Enhancer oder Promotoren fungieren, die die Genexpression, zelluläre Prozesse und die Entwicklung regulieren.

Wie viele TEs jedoch in regulatorische Prozesse integriert wurden und unter welchen zellulären Bedingungen sie funktional sind, ist jedoch noch weitgehend unbekannt. Insbesondere haben bisher nur wenige Studien untersucht, wie sich die Funktionen (TEs) während der Zelldifferenzierung verändern.

Ergebnisse: Wir analysieren humane TEs, die vom Transkriptionsfaktor Sox2 und vom neuronalen Transkriptionsfaktor Brn2 gebunden werden, während sich embryonale Stammzellen in neuronale Vorläuferzellen (NPC) differenzieren.

Einordnung fuer Autofahrer

Wir identifizieren mehr als 20.000 Kopien von Sox2- oder Brn2-bindenden TEs, darunter alte SINEs/LINEs und simian-spezifische endogene Retroviren, was einer zweistufigen evolutionären Akquisition entspricht.

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Retrotransposition der endogenen Retroviren, einschließlich MER51 und MER49, die genomische Verbreitung der simian-spezifischen Bindungsstellen für Sox2 bzw. Brn2 erweitert hat.

Epigenetische Profilierungen legen nahe, dass etwa die Hälfte der Sox2- oder Brn2-bindenden TEs als potenzielle cis-regulatorische Sequenzen fungiert, wobei ein Teil deutliche funktionelle Übergänge aufweist, die mit der Bindung und Freisetzungsdynamik von Sox2 während der Differenzierung neuronaler Zellen einhergehen.

Die nächsten Gene zu den NPC-spezifischen

Die nächsten Gene zu den NPC-spezifischen Sox2-bindenden TEs sind hochreguliert und weisen Gene-Ontologie-Terme im Zusammenhang mit Neurogenese auf.

Schlussfolgerungen Die Anhäufung TE-abgeleiteter cis-regulatorischer Elemente während der Säugetierevolution könnte zur Diversifizierung und Verfeinerung der Genregulationsdynamiken beigetragen haben, die der neuronalen Entwicklung zugrunde liegen.