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人類和猩猩大腦 “無縫切換”，只需改變一個(gè)分子開關(guān)
最近更新時(shí)間：2021-4-19
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作為一個(gè)物種，人類最*的特征之一就是大腦的擴(kuò)大。與小鼠相比，人腦的神經(jīng)元總數(shù)增加了1,000倍，是所有靈長類動物中最多的，比我們的近親黑猩猩和大猩猩高出三倍多。自從人類脫離了其他大猿之后，人類的大腦就經(jīng)歷了快速的擴(kuò)張，但是這種人類*的擴(kuò)張機(jī)制仍然未知。而且盡管我們已經(jīng)了解了許多有關(guān)控制靈長類動物與嚙齒類動物進(jìn)化差異的機(jī)制的知識，但與其他猿類相比，人類特異性的變化卻鮮為人知。
基于此，來自英國劍橋大學(xué)醫(yī)學(xué)研究理事會分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Madeline A Lancaster 教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，通過使用衍生自人類、大猩猩和黑猩猩細(xì)胞的大腦類器官來研究驅(qū)動進(jìn)化性大腦擴(kuò)張的發(fā)育機(jī)制。發(fā)現(xiàn)神經(jīng)上皮分化是猿類中的一個(gè)長期持續(xù)的過程，涉及以細(xì)胞形狀改變?yōu)樘卣鞯南惹盁o法識別的過渡狀態(tài)。并通過比較RNA測序（RNA-seq）揭示了細(xì)胞形態(tài)發(fā)生因子，包含一種已知的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)劑（ZEB2），在表達(dá)動力學(xué)上的差異。
人類器官均始終比在一個(gè)階段大猩猩和黑猩猩類器官較大時(shí)端腦的神經(jīng)上皮芽已經(jīng)形成和正在經(jīng)歷膨脹。研究人員檢查了神經(jīng)上皮細(xì)胞擴(kuò)張期間的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)，揭示了神經(jīng)誘導(dǎo)后3天跨物種的相似大小和組織結(jié)構(gòu)。然而，在第5天，大猩猩和黑猩猩的類器官顯示出更多的圓形神經(jīng)上皮芽，而人類類動物的表現(xiàn)出更多的伸長的神經(jīng)上皮芽。對ZO1染色，ZO1是一種緊密連接蛋白，可標(biāo)記極化上皮的頂表面，揭示了非人猿類器官。使用定制的圖像分析管道，將頂腔進(jìn)行了分割和3D重建，從而揭示了腔體形狀和大小上特定于物種的差異。對每個(gè)類器官的最大內(nèi)腔進(jìn)行量化后發(fā)現(xiàn)，與其他類人猿相比，人類類器官能夠形成更大的內(nèi)腔。
為了進(jìn)一步量化細(xì)胞形狀，研究人員轉(zhuǎn)向了具有單個(gè)細(xì)胞分割功能的高分辨率旋轉(zhuǎn)盤共聚焦成像。因?yàn)榍捌谘芯康陌l(fā)現(xiàn)在物種內(nèi)和在非人類猿猴細(xì)胞系中是一致的，所以研究人員集中于比較一種代表性人類和一種代表性猿猴細(xì)胞系的類器官。盡管這兩個(gè)物種的NE細(xì)胞在第3天表現(xiàn)出相似的形態(tài)，但由于其高度收縮的形態(tài)，與人類相比，第5天的大猩猩NE細(xì)胞表現(xiàn)出減小的根尖突體積。相反，人類細(xì)胞在第8天表現(xiàn)出這種更細(xì)長的形狀，而到了第10天，人類和大猩猩NE細(xì)胞都表現(xiàn)出了RG細(xì)胞典型的類似伸長和收縮的形態(tài)。
盡管在同一時(shí)間點(diǎn)收集的類器官在各個(gè)物種之間似乎高度相關(guān)，但PCA雙線圖顯示了在第5、10和25天，物種之間存在一定程度的分離。研究人員進(jìn)一步對在這些時(shí)間點(diǎn)驅(qū)動差異的前300個(gè)基因進(jìn)行了基因本體論（GO）術(shù)語富集分析。在所有時(shí)間點(diǎn)，GO術(shù)語通常與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育有關(guān)，第5天早期的術(shù)語主要涵蓋器官發(fā)育和形態(tài)發(fā)生，而第25天的術(shù)語與神經(jīng)元區(qū)室（例如樹突和突觸）以及神經(jīng)發(fā)生有關(guān)。研究人員在第25天進(jìn)一步檢查了一些驅(qū)動差異的基因，并發(fā)現(xiàn)與大猩猩的突觸形成和成熟相關(guān)的基因以更快的速度增長。這與以前的研究一致，表明人類神經(jīng)元的成熟速度較慢。
綜上所述，人類向tNE形態(tài)的長期轉(zhuǎn)變以及更短的細(xì)胞周期，對于人類大腦的進(jìn)化尤其引人入勝，因?yàn)樗梢越忉屓祟惔竽X與猿相比的線性縮放。在這樣的早期發(fā)育階段的進(jìn)化修飾將預(yù)期影響神經(jīng)發(fā)生的所有后續(xù)步驟，并導(dǎo)致所有神經(jīng)元類型成比例地增加。實(shí)際上，數(shù)學(xué)建模揭示了神經(jīng)元的預(yù)期增加，甚至在早期對神經(jīng)元的染色也顯示出人類類器官的數(shù)量增加。此外，從細(xì)胞結(jié)構(gòu)上看，這預(yù)計(jì)不會導(dǎo)致皮質(zhì)灰質(zhì)增厚，而是會導(dǎo)致切向維度上大腦的擴(kuò)展，這恰好是在與其他猿相比的神經(jīng)解剖學(xué)中看到的。總體而言，該研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)表明，受EMT基本過程調(diào)節(jié)的細(xì)胞形狀相對簡單的進(jìn)化變化可能對大腦進(jìn)化產(chǎn)生重大影響。