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Science重磅!人类大脑基因触发猴子长出更大的大脑

2020年06月22日 浏览量: 评论(0) 来源:生物谷 作者: 责任编辑:admin
摘要:马克斯普朗克研究所分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)的研究员与日本川崎中央研究所实验动物(CIEA)和庆应义塾大学的同事合作发现,当狨猴体内的这个基因表达到人体生理水平时,会引起大脑皮层肿大。这表明ARHGAP11B基因可能在人类进化过程中导致了大脑皮层的扩张。

人类大脑在进化过程中的扩张,特别是新大脑皮层的扩张,与诸如推理和语言等认知能力有关。有一种叫做ARHGAP11B的基因,只在人类身上表达,它能触发大脑干细胞形成更多的干细胞,这是大脑更大的先决条件。过去的研究表明,当ARHGAP11B在小鼠和雪貂体内表达到非生理上的高水平时,会导致新大脑皮层的扩张,但它与灵长类进化的相关性尚不清楚。

马克斯普朗克研究所分子细胞生物学遗传学研究所(MPI-CBG)的研究员与日本川崎中央研究所实验动物(CIEA)和庆应义塾大学的同事合作发现,当狨猴体内的这个基因表达到人体生理水平时,会引起大脑皮层肿大。这表明ARHGAP11B基因可能在人类进化过程中导致了大脑皮层的扩张。研究人员在《科学》(Science)杂志上发表了他们的研究结果,题为"Human-specific ARHGAP11B increases size and folding of primate neocortex in the fetal marmoset"。


图片来源:Heide et al.  MPI-CBG

"人类的新大脑皮层是进化中最年轻的大脑皮层,它比人类的近亲黑猩猩的大脑皮层大三倍。在进化过程中,新大脑皮层的褶皱增加,以适应有限的颅骨空间。对科学家来说,一个关键问题是人类的新大脑皮层是如何变得如此巨大的。在2015年的一项研究中,MPI-CBG的创始主任Wieland Huttner的研究小组发现,在人类特异性基因ARHGAP11B的影响下,小鼠胚胎产生了更多的神经祖细胞,甚至可以折叠正常展开的新皮层。结果表明,ARHGAP11B基因在人类新皮层的进化扩展中起着关键作用。

人类特有基因的兴起

大约500万年前,人类特有的基因ARHGAP11B是普遍存在的基因ARHGAP11A的部分副本,沿着导致尼安德特人、丹尼索瓦人和现在的人类的进化谱系进化而来,在这个谱系与黑猩猩分离后,形成了黑猩猩。在2016年的后续研究中,Wieland Huttner的研究小组发现了关于为什么ARHGAP11B蛋白含有47个人类特有的氨基酸序列,而这些氨基酸在ARHGAP11A蛋白中没有发现,并且对ARHGAP11B增加脑干细胞的能力至关重要的令人惊讶的原因。

具体来说,在ARHGAP11B基因中发现的一个C到G的碱基替换导致ARHGAP11B信使RNA中丢失了55个核苷酸,导致阅读框的改变,从而产生了人类特有的、功能关键的47个氨基酸序列。这种碱基替换发生的时间可能比基因出现的时间(大约在500万年前)晚得多,约在150万到50万年前出现。这种点突变并不罕见,但在ARHGAP11B的例子中,它形成更大大脑的优势似乎立即影响了人类的进化。

基因对猴子的影响

然而,目前还不清楚人类特有的基因ARHGAP11B是否也会导致非人类灵长类动物的新大脑皮层增大。为了研究这个问题,Wieland Huttner联手日本川崎中央研究所实验动物(CIEA) 的Erika Sasaki以及庆应义塾大学的Hideyuki Okano进行研究,后者开创了一种技术,可以产生转基因非人类的灵长类动物。该研究的第一作者、博士后Michael Heide前往日本,直接在现场与同事们一起工作。

他们产生了转基因的普通绒猴,一种新世界猴,发育的新大脑皮层中表达了人类特有的基因ARHGAP11B,但它们通常没有这种基因。与德国一样,日本在动物研究和动物福利方面也有同样高的道德标准和法规。在日本获得101天大的普通绒猴胎儿(正常出生前50天)的大脑,并送到MPI-CBG进行详细分析。


图片来源:Heide et al.  MPI-CBG

Michael Heide解释道:"我们确实发现,普通绒猴的大脑皮层被扩大,大脑表面被折叠。它的皮质板也比正常的厚。此外,我们可以看到心室外下区基底桡神经胶质祖细胞的数量增加,以及上层神经元的数量增加,这种神经元类型在灵长类动物进化过程中增加。"研究人员现在有功能证据表明,ARHGAP11B导致了灵长类动物新大脑皮层的扩张。

道德的考虑

领导这项研究的Wieland Huttner补充道:"我们的分析局限于绒猴胎儿,因为我们预期这种人类特有基因的表达会影响绒猴的新大脑皮层的发育。考虑到胎儿出生后大脑功能可能出现的不可预见的后果,我们认为这是先决条件--从伦理角度来说也是强制性的,即首先要确定ARHGAP11B对胎儿绒猴新大脑皮层发育的影响。"

研究人员认为,这些结果表明,人类特有的ARHGAP11B基因可能在人类进化过程中导致了新大脑皮层的扩展。


参考资料:

Human brain size gene triggers bigger brain in monkeys

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

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