The Evolution of DNA methylation patterns in neurons of the frontal cortex of humans and non-human primates
Final Report Abstract
Die besondere Grösse und kognitive Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns evolvierten innerhalb von zwei Millionen Jahren in frühen Homininen nach der Aufspaltung der Linien von Mensch (Homo sapiens, HSA) und Schimpanse (Pan troglotydes, PTR). Epigenetische Mechanismen der Genregulation haben massgeblich zur der Akkzeleration der menschlichen Hirnevolution beigetragen. Mit Hilfe von Reduced Representation Bisulfite Sequencing (RRBS) wurden die Methylome von neuronalen (N+) und nicht-neuronalen (N-) Zellen aus drei menschlichen und drei Schimpansen-Cortices (Brodmann area 10) untersucht. Genomweit signifikante, differentiell methylierte Regionen (DMRs) waren in bestimmten, z.B. den subtelomerischen Chromosomenregionen angereichert. Intraspezifischen Methylierungsunterschiede zwischen N+ und N- Zellen waren etwa dreimal häufiger als interspezifische Unterschiede zwischen HSA und PTR Zelltypen. Die überwiegende Zahl (>90%) intraspezifischer menschlicher DMRs, einschließlich differentiell methylierten Retrotransposons waren in Neuronen im Vergleich zur Glia hypomethyliert. Intraspezifische DMRs waren in (Kandidaten-)Genen für neuropsychiatrische Erkrankungen angereichert. Interspezifische DMRs waren in Genen mit Menschen-spezifischen Histonmodifikationen im Gehirn angereichert. Die Methylierungsunterschiede zwischen nicht-neuronalen Zellen von Mensch und Schimpanse waren sehr viel häufiger (n = 666) als interspezifische DMRs (n = 96) in Neuronen. Mehr als 95% der interspezifischen DMRs in Glia-Zellen waren beim Menschen hypermethyliert. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass eine Methylierungswelle von mehreren hundert nicht-neuronalen Genen zur menschlichen Hirnevolution beigetragen hat. Adaptive Veränderungen der Glia haben den erhöhten Energieverbrauch und die kognitive Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns überhaupt erst ermöglicht. Der Beitrag der nichtneuronalen Zellen zur menschlichen Hirnevolution wurde bisher unterschätzt. Insgesamt wurden 15 interspezifische DMRs in Promoterregionen von neuronalen und 53 in nicht-neuronalen Zellen identifiziert, die möglicherweise eine Schlüsselrolle in der menschlichen Encephalisierung gespielt haben.
Publications
- Cell type and species-specific methylation patterns in neuronal and non- neuronal cells of human and chimpanzee cortex. Cereb. Cortex 2018
Böck J, Remmele CW, Dittrich M, Müller T, Kondova I, Persengiev S, Bontrop RE, Ade C, Kraus TFJ, Giese A, El Hajj N, Schneider E, Haaf T
(See online at https://doi.org/10.1093/cercor/bhy180)
