Regulatory divergence of ZEB2 in human brain evolution

Abstract

Humans exhibit distinct phenotypic differences from other primates, despite sharing nearly identical protein-coding sequences. To understand these species-specific traits and adaptations, it is crucial to investigate changes in transcriptional regulation. In studying the evolution of the human brain, transcription factors like ZEB2 emerge as key players due to their roles in neurodevelopment and species-specific characteristics. Here, I investigated the functionally unique aspects of ZEB2 to better understand the molecular foundations of human brain development. To achieve this, I analyzed ZEB2 gene sequences, its potential regulatory partners, and conducted experiments using induced pluripotent stem cells (iPSCs). While the coding regions and DNA-binding domains of ZEB2 are largely conserved across primate species, I identified species-specific differences in its binding properties and functional roles across primates and different cell types. Notably, two distinct cellular mechanisms—neurogenesis and immune functions—were found to be closely connected through ZEB2’s regulatory influence. Additionally, ZEB2’s expression is strongly modulated by its non-coding regions, and many of its potential interaction partners were also non-coding genes, indicating that ZEB2 potentially recruits non-coding genes into its gene regulatory networks. Using iPSC-based models generated and established in this work, I further investigated how ZEB2 contributes to neurodevelopment in humans and primates. This work highlights ZEB2’s functional importance, emphasizing its splicing mechanisms, dynamic context-dependent regulation, and critical role in neurodevelopmental functions, providing new insights into human brain evolution.

Menschen weisen deutliche phänotypische Unterschiede zu anderen Primaten auf, obwohl sie nahezu identische protein-kodierende Sequenzen besitzen. Um diese artspezifischen Merkmale und Anpassungen zu verstehen, ist es entscheidend, Veränderungen in der transkriptionellen Regulation zu untersuchen. Bei der Erforschung der menschlichen Gehirnevolution erweisen sich Transkriptionsfaktoren wie ZEB2 als zentraler Faktor aufgrund seiner Rolle in der Neuroentwicklung und bei artspezifischen Eigenschaften. In dieser Arbeit untersuchte ich die funktionell einzigartigen Aspekte von ZEB2, um die molekularen Grundlagen der menschlichen Gehirnentwicklung besser zu verstehen. Hierfür analysierte ich die ZEB2-Gen-Sequenzen sowie potentielle regulatorische Partner von ZEB2 und führte Experimente mit induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) durch. Während die kodierenden Regionen und DNA-Bindedomänen von ZEB2 bei Primatenarten weitgehend konserviert sind, identifizierte ich artspezifische Unterschiede in seinen Bindungseigenschaften und funktionellen Rollen zwischen Primaten und verschiedenen Zelltypen. Auffällig war, dass zwei unterschiedliche zelluläre Mechanismen – Neurogenese und Immunfunktionen – eng durch den regulatorischen Einfluss von ZEB2 miteinander verknüpft sind. Darüber hinaus wird die Genexpression von ZEB2 stark durch seine nicht-kodierenden Regionen moduliert. Viele seiner potenziellen Interaktionspartner waren ebenfalls nicht-kodierende Gene, was darauf hinweist, dass ZEB2 nicht-kodierende Gene möglicherweise in seine genregulatorischen Netzwerke einbindet. Mithilfe von iPSC-basierten Modellen, die in dieser Arbeit entwickelt und etabliert wurden, untersuchte ich außerdem, wie ZEB2 zur Neuroentwicklung bei Menschen und Primaten beiträgt. Diese Arbeit hebt die funktionelle Bedeutung von ZEB2 hervor und betont dabei seine Spleißmechanismen, die dynamische kontextabhängige Regulation und seine entscheidende Rolle bei neuroentwicklungsbezogenen Funktionen. Zusammengefasst liefert diese Dissertation neue Erkenntnisse zur Evolution des menschlichen Gehirns.