人類DNA讓鼠腦變大了

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將一段人類特有的基因片段插入小鼠體內(nèi)，可以讓它們的大腦長得更大。這段代碼像“旋鈕”一樣，能夠調(diào)控某些基因的表達(dá)，通過增加可成為神經(jīng)元的小鼠細(xì)胞的產(chǎn)生，擴大小鼠大腦的外層。這可能部分解釋了為何人類大腦相較于靈長類近親要大得多。5月14日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

美國加州大學(xué)舊金山分校的Katherine"Pollard表示，這項研究比以往嘗試揭示人類大腦發(fā)育遺傳機制的研究要深入得多。“這個故事更完整、更具說服力。”

人類大腦如何變得如此龐大和復(fù)雜，一直是個謎。西班牙德爾瑪醫(yī)院醫(yī)學(xué)研究所的Gabriel"Santpere"Baró表示：“自從人類與黑猩猩在進化過程中分道揚鑣以來，我們的大腦體積增長了3倍，但仍然沒有找到確切的原因。”

先前的研究表明，“人類加速區(qū)”（HARs），即在哺乳動物中普遍保守但在人類與黑猩猩分離后迅速變化的短基因組片段，可能是大腦發(fā)育和體積增大的關(guān)鍵因素。“但這些HARs在大腦構(gòu)建過程中的具體機制尚不清楚。”論文通訊作者、美國杜克大學(xué)的Debra"Silver表示。

為了更清晰地描繪這一圖景，Silver團隊聚焦于他們10年前發(fā)現(xiàn)的一個名為HARE5的HAR。在小鼠中，已知這段DNA可以增強Fzd8基因的表達(dá)，后者是神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育和生長的關(guān)鍵基因之一。研究人員比較了HARE5對小鼠、黑猩猩和人類的影響。

當(dāng)研究人員用人類的HARE5替代活體小鼠的HARE5后，這些小鼠成年后的腦容量比未經(jīng)過基因改造的小鼠大了6.5%。這種大腦“助推器”在一種名為放射狀膠質(zhì)細(xì)胞的神經(jīng)干細(xì)胞中最活躍，后者最終會分化為神經(jīng)元和其他腦細(xì)胞。人類HARE5促進了這些膠質(zhì)細(xì)胞的分裂和增殖，從而產(chǎn)生了比小鼠版本的HARE5更多的神經(jīng)元。

但Silver表示，目前還不清楚大腦變大的小鼠是否在認(rèn)知或記憶方面有所提升。

為了找出人類HARE5與黑猩猩的差異，Silver和同事確定了其中4個遺傳突變，每個突變都能同時增強黑猩猩和人類細(xì)胞的增殖能力。

接下來，研究人員在實驗室培養(yǎng)皿中制作了微型三維人腦模型，即類器官，以觀察HARE5如何影響神經(jīng)細(xì)胞的產(chǎn)生。含有黑猩猩HARE5的類器官所產(chǎn)生的放射狀膠質(zhì)細(xì)胞少于含有人類HARE5的類器官，而且細(xì)胞發(fā)育程度較低。他們還發(fā)現(xiàn)，HARE5增強了驅(qū)動神經(jīng)干細(xì)胞生長的一個關(guān)鍵信號通路。

“這進一步證實了這一遺傳‘助推器’在增加人類大腦體積和復(fù)雜性方面的作用。”Silver說。

Santpere"Baró認(rèn)為，未來的研究應(yīng)探討HARE5如何與其他約3000個人類HARs結(jié)合及互動，以全面了解它們在人類大腦發(fā)育和進化中的角色。“這是一個有待深入挖掘的遺傳寶庫。”

目前，Silver團隊正在研究不同的HARs是如何協(xié)同工作的。“有很多不同的機制對造就如今的人類大腦至關(guān)重要。”她說。