300万年前的一次基因改变使我们的大脑变得更大,并为我们赢得了世界

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两个研究小组发现了基因家族,这些基因家族让我们进化出了惊人的大脑袋。

300万年前的一次基因改变使我们的大脑变得更大,并为我们赢得了世界-有意思吧

与地球上的其他生物相比,我们的灰质球异常的大。这实际上是一个相当幸运的转变,我们人类这个物种的成功应该归功这个转变。但是为什么我们有这么大的大脑是一个完全不同的问题——最近发表的两篇论文试图回答这个问题。

这两个研究小组发现了一个名为NOTCH2NL的基因家族,在过去的300万年里,它可能是我们大脑进化的催化剂。该基因是原基因组的一部分与神经发育障碍有关,它在人类大脑皮层的发育过程中起着重要作用,因为它可以将干细胞的专一性延迟到长期的神经元中,从而导致更多的神经元被开发出来。这种基因也是人类独有的(即使在我们最亲近的亲属中也不存在),并且在大脑皮层的干细胞中大量表达。

人类上升一个台阶

我们的大脑之所以有三倍大,主要是因为大脑皮层某些功能区域的扩张,而这必须是我们成为人类的基础。其中一篇论文的共同高级作者、生物信息学家大卫•豪斯勒(David Haussler)表示:“我能想到的最令人兴奋的科学问题,莫过于发现并解码那些使我们成为我们自己的神秘基因变化。”

豪斯勒的团队正忙于比较人类和猕猴大脑发育过程中表达的基因,这时他们发现只有人类细胞具有NOTCH2NL。进一步的测试显示,猩猩也缺乏这种基因,而我们的近亲大猩猩和黑猩猩只携带不完全的、不活跃的基因。在尽可能多地收集了它的进化史之后,研究小组认为,这是基因转化过程的结果。他们写道,这一过程很可能被用于修复非功能性的NOTCH2NL,它本身首先出现的是神经发育基因NOTCH2的部分复制(即突变)。

研究小组认为,修复工作发生在大约300万到400万年前,也就是我们看到人类化石的时候,人类的大脑正在增大。在修复后,但在我们与尼安德特人的共同祖先分离之前,NOTCH2NL被复制了两次,团队补充说。

由发展生物学家Pierre Vanderhaeghen领导的另一个研究小组在寻找胎儿大脑发育过程中人类特有的基因活动时发现了NOTCH2NL。

大脑的进化

Vanderhaeghen说,像我们这样的研究人员的终极目标之一是找出在人类发展和进化过程中是什么导致了更大的大脑,尤其是大脑皮层。考虑到人类大脑相对快速的进化,我们很容易推断,新进化的、人类特有的基因可能有助于我们的大脑以一种特定于物种的方式形成。

由于Vanderhaeghen s团队正在寻找的基因通常被描述为已知的,并且很难与其他物种的变体(更常见)区分开来,因此该团队开发了一种新的RNA测序分析方法,用于对胎儿组织中的人类特异性基因进行特异性和敏感性的检测。他们发现了35个在胎儿大脑发育过程中非常活跃的基因,包括NOTCH2NL家族。

他们解释说,区别于其他细胞的是NOTCH2在控制皮质干细胞是否产生神经元或再生更多干细胞方面发挥的重要作用。人工表达NOTCH2NL会增加小鼠胚胎大脑中祖细胞的数量。基于人类多能干细胞的体外皮质发育模型的进一步试验表明,NOTCH2NL可以显著增加培养中的细胞数量,从而产生更多的神经元。

从一个干细胞,你可以再生两个祖细胞,产生两个神经元,或者产生一个祖细胞和一个神经元。NOTCH2NL所做的是偏向于以一种微小的方式来再生祖细胞,这种祖细胞以后可以产生更多的神经元。范德哈根说,这是一个小的早期效应,会带来大的晚期后果,就像进化过程中经常发生的那样。

当NOTCH2NL从用于培养组织块的人类干细胞基因组中移除时,分化发生得更快,但最终的神经元却更少。

如果你失去了NOTCH2NL,它会导致皮质干细胞过早分化为神经元,但同时,非常重要的干细胞池也会衰竭,雅各布斯说。

关于NOTCH2NL还有很多东西我们不懂。豪斯勒的研究小组指出,他们只能观察一小部分患者的基因组,而且他们的模型不能解决当NOTCH2NL可能变得更重要时皮层发育的后期。

然而,目前看来,NOTCH2NL显然在人类大脑的进化中起着关键作用。而且,在某种程度上,它也可以为这个古老的问题提供部分答案。我们在这里,部分是因为几百万年前基因突变使我们变得聪明。

人类特异性的NOTCH2NL基因影响Notch信号和皮质神经发生,而人类特异性的NOTCH2NL基因通过Delta/Notch调控扩展皮质神经发生,这两种基因都已发表在《细胞》杂志上。

 

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