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澳门新萄京官方网站三基因推动人脑进化

作者:新京葡娱乐场www2977    发布时间:2019-12-08 08:15     浏览次数 :190

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经历了几百万年的进化,人类先祖的大脑远远比灵长类亲戚大的多、复杂的多。但是,这背后的分子机制一直是个谜。近期,Cell期刊连发两篇文章,揭示了一类人类特有的基因家族,可能是构建更大大脑的关键。

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Cell杂志发文称,科学家已发现3个几乎相同的基因可以帮助解释人类早期祖先的0.5升灰质是如何成为1.4升器官的,这一进化使得人类这一物种是如此成功和独特。另外,新发现的基因帮助解释了大脑发育有时是如何出错并导致神经系统紊乱的。

澳门新萄京官方网站,在过去的300万年中,更大大脑的进化在我们作为一个具有思考、解决问题和发展文化的能力的物种中起着重要作用。但是,让我们成为人类的大脑扩大背后的遗传变化一直是个迷。在两篇发表在2018年5月31日的Cell期刊上的论文中,两组研究人员鉴定出一个基因家族---NOTCH2NL,它似乎在人类特异性的皮层发育中起着重要作用,并且可能成为我们较大的大脑进化的一种驱动力。

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》

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NOTCH2NL基因延长皮层干细胞分化为神经元,导致在整个发育过程中产生更多的神经元。这些基因仅在人类中发现,在人类大脑皮层的神经干细胞中高度表达,并位于与神经发育障碍相关的一个基因组区域中。 作为第一篇论文的资深作者,加州大学圣克鲁兹分校生物信息学家David Haussler说,“我们的大脑主要通过扩大大脑皮层的某些功能区域而变得三倍大,并且这必定是我们成为人类的基础。相比于发现和破解让我们成为我们自己的神秘遗传变化,真地没有更加令人关注的科学问题。”

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。

DOI:

体外的人皮层细胞,图片来自Suzuki et al./Cell。

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列表。然而美国耶鲁大学进化基因组学家JamesNoonan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。

这一新发现的明星家族——NOTCH2NL,在大脑皮质发育过程中表达,负责促进神经祖细胞更新,从而产生更多的神经元。

由Haussler、荷兰阿姆斯特丹大学资深作者Frank Jacobs以及加州大学圣克鲁兹分校资深作者Sofie Salama领导的一个研究小组当意识到他们能够在人细胞中检测到NOTCH2NL但不能在猕猴细胞中检测到它时,就在干细胞衍生的模型中比较了在人类和猕猴大脑发育过程中表达的基因。通过研究NOTCH2NL,他们也没有在猩猩身上观察到它,并且在与我们的亲缘关系最为接近的大猩猩和黑猩猩身上发现了截短的没有活性的NOTCH2NL版本。

《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。”

NOTCH2NL本身是NOTCH基因家族的一个分支,后者负责调控所有生物的发育时间。但是,5月31日发表在Cell上的两项研究显示,在最近的进化史中,发生了一系列“基因事故”,在人类身上产生了4个非常密切相关的NOTCH2NL基因。

重建NOTCH2NL基因的进化历史揭示出一个被称作基因转换的过程可能负责修复NOTCH2NL的非功能性版本,NOTCH2NL最初是作为一个重要的神经发育基因的部分重复而出现的。这种修复仅在人类中发生---他们估计它发生在3——4百万年前,大约相同时间的化石记录提示着人类大脑开始扩大。在它被修复之后,但在我们跟我们与尼安德特人的共同祖先在进化上分开之前,NOTCH2NL又被复制了两次。

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。

“这些基因是一个古老的发育基因的后代,在进化过程中不断复制和改变,从而加入与人脑扩大有关的DNA名单中。”耶鲁大学进化基因组学家James Noonan说,“它们会增加脑组织中潜在神经细胞的数量这些新蛋白质可能会以非常强大的方式改变脑部发育中的重要途径。”

在第二篇论文中,比利时布鲁塞尔自由大学发育生物学家Pierre Vanderhaeghen领导的一个研究小组从另一个相关的方向发现了NOTCH2NL,具体而言是在寻找胎儿大脑发育期间有活性的人类特异性基因的过程中发现的。Vanderhaeghen说,“诸如我们之类的研究人员的最终目标之一就是在人类发育和进化期间发现是什么导致更大的大脑,特别是大脑皮层。考虑到相对较快的人类大脑进化,很容易推测新进化出的人类特异性基因可能有助以一种物种特异性的方式塑造我们的大脑。”

加利福尼亚大学圣克鲁斯分校教授DavidHaussler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。

01论文一:人类独有的NOTCH2NL

寻找参与大脑发育的人类特异性基因经证实是具有挑战性的,这是因为这些基因通常在基因组数据库中很少被注释,这就很难将它们与其他物种中存在的更常见基因区分开来。为了特异性地和高灵敏地检测人类胎儿大脑皮层中的人特异性基因,Vanderhaeghen团队开发出一种定制的RNA测序分析方法。这允许他们鉴定出在人类大脑皮层发育期间具有活性的35种人类特有的基因,包括NOTCH2NL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。