原創(chuàng) 轉(zhuǎn)網(wǎng) 轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)網(wǎng)

本文為轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)網(wǎng)原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請注明出處

作者：竹子

導(dǎo)言：或許是600萬年前的機(jī)緣巧合，一種人類特異性基因使人與黑猩猩分道揚(yáng)鑣，開啟了自然歷史上最為神奇的進(jìn)化過程——人腦的進(jìn)化。大腦擴(kuò)張是人類大腦進(jìn)化中一個重要的特征。《科學(xué)》上一項(xiàng)新研究表明，這種基因會引起新皮質(zhì)變大，在人類進(jìn)化過程中起著關(guān)鍵作用。

前有研究表明，人類特異性基因ARHGAP11B，在小鼠和雪貂中會引起新皮質(zhì)（neocortex）變大，大腦體積進(jìn)而增大，但其與靈長類動物進(jìn)化的相關(guān)性尚不清楚。

為了研究ARHGAP11B基因?qū)`長類動物的作用，德國馬克斯普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所（MPI-CBG），與產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因非人類靈長類動物技術(shù)的日本川崎市的中央實(shí)驗(yàn)動物研究所（CIEA）和東京慶應(yīng)義塾大學(xué)合作，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因狨猴正在發(fā)育的新皮層中表達(dá)人類特異性基因ARHGAP11B，而通常它們沒有這種基因。結(jié)合先前研究得出結(jié)論：ARHGAP11B引起了新皮質(zhì)變大，從而促進(jìn)人腦進(jìn)化。他們在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

人類特異性基因的興起

ARHGAP11B基因在人類大腦進(jìn)化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用

科學(xué)家認(rèn)為生物進(jìn)化過程中人類的先祖一定發(fā)生了基因組變異，刺激了腦生長。

2015年，德國馬克斯·普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所（MPI-CBG）的研究小組負(fù)責(zé)人維蘭德·赫特納（Wieland Huttner）及其團(tuán)隊(duì)，首次確定ARHGAP11B基因只存在于人類，并且它與基底腦干細(xì)胞再生、觸發(fā)大腦皮層折疊相關(guān)。人類特有的ARHGAP11B基因是普遍存在的ARHGAP11A基因的部分復(fù)制，隨尼安德特人、丹尼索瓦人和現(xiàn)在人類的進(jìn)化譜系進(jìn)化而來。在這個譜系與黑猩猩分離后，形成了黑猩猩。ARHGAP11B會導(dǎo)致人腦發(fā)育過程中產(chǎn)生更多的神經(jīng)元，使負(fù)責(zé)說話和思維等高級認(rèn)知能力的大腦體積增加。

2016年，Wieland Huttner領(lǐng)導(dǎo)的研究，解釋了為什么ARHGAP11B蛋白包含47種氨基酸序列是人類特異性的，未在ARHGAP11A蛋白中發(fā)現(xiàn)，以及是ARHGAP11B增加腦干細(xì)胞的能力的必備條件。具體來說，在ARHGAP11B基因中發(fā)現(xiàn)一個C到G堿基的堿基替換會導(dǎo)致ARHGAP11B信使RNA丟失55個核苷酸，這會導(dǎo)致閱讀框發(fā)生移位，從而導(dǎo)致人類特異性且功能關(guān)鍵的47個氨基酸序列。這種點(diǎn)突變并不罕見，但是在ARHGAP11B的例子中，其形成更大大腦的優(yōu)勢似乎立即影響了人類的進(jìn)化。

ARHGAP11B的道德考量

在動物研究和福利方面，日本的道德標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)與德國相似。日本獲得了101天大的狨猴胎兒的大腦（正常出生日期前50天），然后將其出口到德累斯頓的MPI-CBG進(jìn)行詳細(xì)分析。

一個101天大的ARHGAP11B轉(zhuǎn)基因胎兒狨猴的大腦半球的切片的顯微鏡圖像。DAPI（白色）顯示細(xì)胞核；箭頭顯示溝和回。

野生型（正常）和ARHGAP11B轉(zhuǎn)基因胎兒（101天）狨猴的大腦。黃線：大腦皮層邊界；白線：發(fā)育的小腦；箭頭：褶皺。

研究人員表示，普通狨猴的新大腦皮層確實(shí)變大了，并且大腦表面折疊了，皮層板也比正常的厚。此外，可以看到在腦室下區(qū)（outer subventricular zone ） 的放射狀膠質(zhì)祖細(xì)胞（radial glia progenitors）及上層神經(jīng)元的數(shù)量增加。這種神經(jīng)元類型在靈長類動物進(jìn)化過程中會增加。這項(xiàng)研究提供了功能的佐證，表明ARHGAP11B會導(dǎo)致靈長類動物新皮質(zhì)變大。

Wieland Huttner補(bǔ)充，他們的分析僅限于狨猴胎兒，因?yàn)樗麄冾A(yù)期ARHGAP11B的表達(dá)會影響狨猴的新皮質(zhì)發(fā)育。鑒于ARHGAP11B對胎兒出生后大腦功能的潛在不可預(yù)見的影響，他們認(rèn)為，從倫理角度出發(fā)，必要的前提條件是首先確定ARHGAP11B對胎兒狨猴新皮質(zhì)發(fā)育的影響。

參考：

【1】https://medicalxpress.com/news/2020-06-human-brain-size-gene-triggers.html

【2】https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.abb2401

"Human-specific ARHGAP11B increases size and folding of primate neocortex in the fetal marmoset" Science (2020). DOI: 10.1126/science.abb2401

【3】http://www.yacoo.com.cn/exhibitioninfo/5850

原標(biāo)題：《【Science】狨猴實(shí)驗(yàn)揭秘人類進(jìn)化！人類特異性基因可引起新皮質(zhì)擴(kuò)張》

閱讀原文