外國研究員發現:人類大腦基因促使猴子長出更大的大腦

人類大腦在進化過程中的擴張,特別是新大腦皮層的擴張,與諸如推理和語言等認知能力有關。有一種叫做ARHGAP11B的基因,只在人類身上表達,它能觸發大腦幹細胞形成更多的幹細胞,這是大腦更大的先決條件。過去的研究表明,當ARHGAP11B在小鼠和雪貂體內表達到非生理上的高水平時,會導致新大腦皮層的擴張,但它與靈長類進化的相關性尚不清楚。

 

馬克斯普朗克研究所分子細胞生物學和遺傳學研究所(MPI-CBG)的研究員與日本川崎中央研究所實驗動物(CIEA)和慶應義塾大學的同事合作發現,當狨猴體內的這個基因表達到人體生理水平時,會引起大腦皮層腫大。這表明ARHGAP11B基因可能在人類進化過程中導致了大腦皮層的擴張。

人類新皮層是大腦皮層中進化最年輕的部分,比最親密的人類黑猩猩大三倍,在進化過程中,它折疊成皺紋的程度增加了,以適應頭骨的受限空間。科學家面臨的一個關鍵問題是人類新皮層如何變得如此之大。 在2015年的一項研究中,MPI-CBG的創始負責人Wieland Huttner研究小組發現,在人類特異性基因ARHGAP11B的影響下,小鼠胚胎產生了更多的神經祖細胞,甚至可以正常折疊 展開的新皮層。結果顯示,ARHGAP11B基因在人類新皮層的進化擴展中起關鍵作用。

 

穿過101天大的ARHGAP11B轉基因mar猴胎兒的一個腦半球的切片的顯微圖像。(圖源:Heide et al. / MPI-CBG)

人類特異性基因的崛起

人類特異性基因ARHGAP11B產生於大約五百萬年前,是遍及普遍存在的基因ARHGAP11A的部分複制。沿著導致尼安德特人、丹尼索瓦人和現在的人類的進化譜系進化而來,在這個譜係與黑猩猩分離後,形成了黑猩猩。研究小組在2016年的一項後續研究中,發現了令人驚訝的原因,為什麼ARHGAP11B蛋白包含47種氨基酸序列,這些序列是人類特異性的,在ARHGAP11A蛋白中未發現,並且是ARHGAP11B增加能力所必需的腦幹細胞。

具體而言,在ARHGAP11B基因中發現的單個C到G鹼基取代會導致ARHGAP11B信使RNA丟失55個核苷酸,這會導致閱讀框發生移位,從而導致人類特異性,功能關鍵的47個氨基酸序列。這種鹼基取代發生的時間可能晚於大約500萬年前出現的時間。這種點突變並不罕見,但是在ARHGAP11B的情況下,其形成更大大腦的優勢似乎立即影響了人類的進化。

 

基因存在猴子身上的影響

但是,到目前為止,尚不清楚人類特異性基因ARHGAP11B是否還會在非人類靈長類動物中引起新皮層增大。為了對此進行研究,Wieland Huttner小組的研究人員與位於日本川崎市的中央實驗動物研究所(CIEA)的Erika Sasaki和位於東京的慶應大學的岡野秀幸(Hideyuki Okano)合作,他們都是日本的先驅。 產生轉基因非人類靈長類動物的技術。該研究的第一作者,博士後邁克爾·海德(Michael Heide)前往日本,與他們的同事直接進行現場合作。

他們產生了轉基因的普通mar猴,即新世界猴,在發育中的新皮層中表達了人類特異性基因ARHGAP11B,而通常他們沒有這種基因。日本在動物研究和動物福利方面的道德標準和法規與德國類似。在日本獲得了101天大的mar猴胎兒(正常出生日期前50天)的大腦,並出口到德累斯頓的MPI-CBG進行詳細分析。

Michael Heide表示,我們確實發現,普通絨猴的大腦皮層被擴大,大腦表面被折疊。它的皮質板也比正常的厚。此外,我們可以看到心室外下區基底橈神經膠質祖細胞的數量增加,以及上層神經元的數量增加,這種神經元類型在靈長類動物進化過程中增加。”研究人員現在有功能證據表明,ARHGAP11B導致了靈長類動物新大腦皮層的擴張。

野生型(正常)和ARHGAP11B轉基因胎兒(101天)是mo猴的大腦。(圖源:Heide et al. / MPI-CBG)

 

道德考量

負責這項研究的Wieland Huttner表示:「我們的分析僅限於mar猴胎兒,因為我們預期該人類特異性基因的表達會影響natal猴新皮層的發育。鑑於對產後的潛在不可預見的後果腦功能方面,我們認為從道德的角度出發,首先確定ARHGAP11B對胎兒mar猴新皮層發育的影響是先決條件,也是必需的。」

研究人員得出的結論是,這些結果表明,人類特異性ARHGAP11B基因可能在人類進化過程中引起了新皮層擴張。

 

參考資料:

Human brain size gene triggers bigger brain in monkeys

Human-specific ARHGAP11B increases size and folding of primate neocortex in the fetal marmoset

俊逵

作者

俊逵

曾任職於醫院機構,主要探討癌症藥物治療相關。想用文字為大家帶來最新的生醫訊息

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