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为什么人类大脑与众不同?

来源:科普中国
时间:2018年08月06日 16:28

  通过使一个与人类小头畸形相关的基因失活,研究人员得到第一只神经系统变异的雪貂。霍华德休斯医学研究所(HHMI)的研究者Christopher Walsh说,尽管该工作的初衷是研究人脑疾病及其发展,但这一结果也揭示了人类大脑在演化过程中体积不断增加的机制。

  “我是一名神经科学家,一直在研究儿童大脑发育相关的疾病,”波士顿儿童医院的Walsh医生说,“我从没想过自己会去研究人类演化史。”

  Walsh和耶鲁大学Byoung-Il Bae实验室一起,于近期在《自然》期刊上发表了关于基因敲除雪貂揭示脑体积扩增机制的研究。

  人类大脑的外层称为大脑皮层,容积大且高度折叠。在胚胎大脑发育期,发育异常会导致皮层无法生长到足够的大小。这种现象称为小头畸形,俗称“小头症”,患儿的头部和大脑会显著小于正常婴儿。小头畸形产生的根源是基因突变,其出现也与近期寨卡病毒的暴发有关。

  研究人员找到了小头症相关的基因,其中部分基因对胚胎发育过程中大脑皮层的生长至关重要。例如,ASPM基因发生突变时,人脑尺寸将减少50%,与黑猩猩的大脑尺寸相近。  

  科学家们曾尝试利用小鼠模型来进一步理解人类小头畸形的产生机制,但小鼠和人类大脑巨大的差异让这件事变得极为艰难。小鼠的大脑比人脑小1000倍,而且缺少几种在人脑中非常丰富的细胞。ASPM基因灭活仅能使小鼠的大脑萎缩10%。Walsh认为,ASPM基因敲除小鼠在人类脑皮层发育的研究中只能提供十分有限的参考。

  因此,Bae和的Walsh团队不得不寻找一类有着类似人脑的体积更大功能更复杂的大脑皮层的哺乳动物来进行ASPM基因失活或敲除操作。雪貂的大脑较大,同时容易繁殖且繁殖期短,符合研究要求。Walsh说,“从表面上看,雪貂是个有趣的选择,而雪貂作为研究脑发育的模式生物已长达30年。”  

  目前,科学家们还没有对雪貂的遗传学方面做太多研究。敲除雪貂的ASPM基因这个想法很新,但也存在风险。为使研究成行,2013年Walsh向HHMI申报了这项计划,并得到了足够的资金支持。这只ASPM基因敲除的雪貂是第二只基因敲除雪貂。这项研究的共同作者之一,爱荷华大学的John Engelhardt在10年前研究囊性纤维化时首次应用了基因敲除雪貂模型。

  Walsh,Bae的研究团队发现雪貂与小鼠相比,能更准确地模拟人类小头畸形。基因敲除后,雪貂出现了严重的脑萎缩,大脑减重了40%。并且,与在同一条件下的人类相似,雪貂脑萎缩前后的皮质厚度和细胞结构基本维持不变。

  更重要的是,在雪貂模型上进行的研究揭示了人类大脑在演化过程中一种可能的生长机制。在过去的七百万年里,人类的大脑体积增加了三倍。这一扩增主要发生在大脑皮层上。 

  通过对基因敲除后的雪貂的大脑皮层萎缩进行追踪观察,研究人员发现这是由一种外放射状胶质细胞(ORGs)导致的。ORGs由干细胞分化产生,具有进一步分化成为皮层中各类细胞的能力。Walsh的团队发现,ASPM能够调控干细胞分化成ORGs的时间点。这将会影响ORGs与其它细胞的比例。Walsh表示,因此无需一次性改变很多基因,对ASPM进行微调便可以增加或减少脑部的神经细胞数量。

  这是基因在人脑演化中发挥作用的一条线索。Bae说:“大自然无需大动干戈就解决了改变人脑大小的问题。”

  ASPM所编码的蛋白是细胞中心粒的一部分。敲除这个基因,会破坏中心粒的结构和功能,这可能是导致基因敲除的雪貂脑部萎缩的一种生化机制。

  Walsh说,与人类中心粒蛋白相关的基因(包括ASPM)在演化史晚期发生了变化。这类基因突变可能决定了我们是演化成穴居人,还是演化成近亲黑猩猩。

  这项研究表明使用雪貂研究有助于研究某些人类脑部疾病,同时揭示了演化过程中人类、与人类亲缘关系较近的物种的脑发育的新机制。

  “想来也是很有道理的,”Walsh说,“在发育过程中与脑部形成相关的基因,必然是曾经使脑容积增大的基因。”

【责任编辑:齐越】

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