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三基因推动人脑进化 同时与脑疾病存在关联

2018-06-05 15:31 来源:中国科学报

  在实验室培养皿中培育这些大脑皮层神经元的技术使得追踪更多与大脑扩张有关的基因成为可能。图片来源:《细胞》

  3个几乎相同的基因可以帮助解释,0.5升的灰质是如何在早期人类祖先的脑袋中变成1.4升的器官的,从而使我们得以如此成功和与众不同。这些新发现的基因也有助于阐明大脑发育有时是如何出错的,从而导致脑神经系统紊乱。

  这些基因是一种古老发育基因的“后代”,并在进化过程中不断增加和改变,进而扩充了与人类大脑扩张有关的脱氧核糖核酸(DNA)列表。然而美国耶鲁大学进化基因组学家James Noonan说,它们之所以能够脱颖而出,是因为这些基因已经学会了如何发挥自己的魔力。

  《细胞》杂志5月31日刊载的两项研究发现了最近300多万年来让人类大脑变大的基因,这些基因帮助人类具备了思考、解决问题并发展出灿烂文化的能力。Noonan说:“这些新蛋白质可能是以非常强大的方式改变大脑发育的一条非常重要的途径。”

  美国和比利时的两项独立研究发现,这些基因属于“NOTCH”基因家族,只存在于人类基因组中,它们可延缓皮质干细胞分化为神经元,从而让大脑发育过程中产生更多神经元。

  加利福尼亚大学圣克鲁斯分校教授David Haussler说,这个基因家族在胚胎发育过程中发挥着重要作用。他的团队通过干细胞模型对比了人类和猕猴的脑发育过程中的不同基因表达,发现NOTCH基因家族有3个基因只存在于人类细胞中,即使人类的灵长类动物“近亲”也不携带这3个基因。

  研究人员重建了这些基因的进化史,发现一种被称为“基因转换”的过程可能与这3个基因的产生有关。他们推断这一过程发生在300万到400万年前,化石证据表明,正是这一时期,人类大脑开始变大。

  Haussler的研究团队将这些基因从人类干细胞中敲除后,发现皮质干细胞会过早分化为神经元,这不利于大脑发育。

  由布鲁塞尔自由大学发育神经生物学家Pierre Vanderhaeghen和鲁汶大学研究团队独立进行了另一项研究,他们发现了人类独有的与胎儿大脑发育过程有关的35个基因,其中就包括上述3个基因。

  比利时研究人员在体外使用人类多能干细胞培育了脑皮质,发现这3个基因可显著增加皮质干细胞数量,从而制造更多神经元,这导致了人类和其他动物大脑皮质发育的一大区别。

  “这是令人信服的生物数据。”Noonan说,“在其他涉及人类进化的基因研究中,想要从基因差异到表现型,再到一种可靠的生化机制画一条线是很困难的。”

  Haussler指出,这3个活跃的NOTCH基因的位置也说明了这一点。这些基因与自闭症、精神分裂症和发育迟缓综合征有牵连。这种重复的DNA很容易被复制,或者在复制的过程中失去DNA,而不稳定恰恰是这些疾病的特征。

  对于北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学进化发育生物学家Greg Wray来说,这一新发现是研究大脑疾病的线索,也是最令人信服的新研究成果。他说:“这些基因可能在大脑皮层发育中起着重要的作用,而错误的调节会导致疾病。”

  然而Wray不太相信这些基因在人类进化过程中起着独特的作用,因为它们所处的染色体区域是非常复杂的,难以测序,同时还因为目前关于人类和其他物种之间基因功能的进化差异只有一些间接证据。

  Haussler则认为,这些基因将被证明是人类大脑扩张的关键参与者。他指出:“一个改变并不都是一个人做的,但你会发现,有些改变会比其他的更重要。”“NOTCH基因便有这样的机会。”

(责任编辑:王蔚)

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