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人類和猩猩大腦 “無縫切換”，只需改變一個分子開關
最近更新時間：2021-4-19
提 供 商：上海士鋒生物科技有限公司資料大?。?/span>50.6KB
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詳細介紹：
作為一個物種，人類最*的特征之一就是大腦的擴大。與小鼠相比，人腦的神經元總數(shù)增加了1,000倍，是所有靈長類動物中最多的，比我們的近親黑猩猩和大猩猩高出三倍多。自從人類脫離了其他大猿之后，人類的大腦就經歷了快速的擴張，但是這種人類*的擴張機制仍然未知。而且盡管我們已經了解了許多有關控制靈長類動物與嚙齒類動物進化差異的機制的知識，但與其他猿類相比，人類特異性的變化卻鮮為人知。
基于此，來自英國劍橋大學醫(yī)學研究理事會分子生物學實驗室的Madeline A Lancaster 教授帶領團隊，通過使用衍生自人類、大猩猩和黑猩猩細胞的大腦類器官來研究驅動進化性大腦擴張的發(fā)育機制。發(fā)現(xiàn)神經上皮分化是猿類中的一個長期持續(xù)的過程，涉及以細胞形狀改變?yōu)樘卣鞯南惹盁o法識別的過渡狀態(tài)。并通過比較RNA測序（RNA-seq）揭示了細胞形態(tài)發(fā)生因子，包含一種已知的上皮-間質轉化調節(jié)劑（ZEB2），在表達動力學上的差異。
人類器官均始終比在一個階段大猩猩和黑猩猩類器官較大時端腦的神經上皮芽已經形成和正在經歷膨脹。研究人員檢查了神經上皮細胞擴張期間的幾個時間點，揭示了神經誘導后3天跨物種的相似大小和組織結構。然而，在第5天，大猩猩和黑猩猩的類器官顯示出更多的圓形神經上皮芽，而人類類動物的表現(xiàn)出更多的伸長的神經上皮芽。對ZO1染色，ZO1是一種緊密連接蛋白，可標記極化上皮的頂表面，揭示了非人猿類器官。使用定制的圖像分析管道，將頂腔進行了分割和3D重建，從而揭示了腔體形狀和大小上特定于物種的差異。對每個類器官的最大內腔進行量化后發(fā)現(xiàn)，與其他類人猿相比，人類類器官能夠形成更大的內腔。
為了進一步量化細胞形狀，研究人員轉向了具有單個細胞分割功能的高分辨率旋轉盤共聚焦成像。因為前期研究的發(fā)現(xiàn)在物種內和在非人類猿猴細胞系中是一致的，所以研究人員集中于比較一種代表性人類和一種代表性猿猴細胞系的類器官。盡管這兩個物種的NE細胞在第3天表現(xiàn)出相似的形態(tài)，但由于其高度收縮的形態(tài)，與人類相比，第5天的大猩猩NE細胞表現(xiàn)出減小的根尖突體積。相反，人類細胞在第8天表現(xiàn)出這種更細長的形狀，而到了第10天，人類和大猩猩NE細胞都表現(xiàn)出了RG細胞典型的類似伸長和收縮的形態(tài)。
盡管在同一時間點收集的類器官在各個物種之間似乎高度相關，但PCA雙線圖顯示了在第5、10和25天，物種之間存在一定程度的分離。研究人員進一步對在這些時間點驅動差異的前300個基因進行了基因本體論（GO）術語富集分析。在所有時間點，GO術語通常與神經系統(tǒng)發(fā)育有關，第5天早期的術語主要涵蓋器官發(fā)育和形態(tài)發(fā)生，而第25天的術語與神經元區(qū)室（例如樹突和突觸）以及神經發(fā)生有關。研究人員在第25天進一步檢查了一些驅動差異的基因，并發(fā)現(xiàn)與大猩猩的突觸形成和成熟相關的基因以更快的速度增長。這與以前的研究一致，表明人類神經元的成熟速度較慢。
綜上所述，人類向tNE形態(tài)的長期轉變以及更短的細胞周期，對于人類大腦的進化尤其引人入勝，因為它可以解釋人類大腦與猿相比的線性縮放。在這樣的早期發(fā)育階段的進化修飾將預期影響神經發(fā)生的所有后續(xù)步驟，并導致所有神經元類型成比例地增加。實際上，數(shù)學建模揭示了神經元的預期增加，甚至在早期對神經元的染色也顯示出人類類器官的數(shù)量增加。此外，從細胞結構上看，這預計不會導致皮質灰質增厚，而是會導致切向維度上大腦的擴展，這恰好是在與其他猿相比的神經解剖學中看到的?？傮w而言，該研究團隊的發(fā)現(xiàn)表明，受EMT基本過程調節(jié)的細胞形狀相對簡單的進化變化可能對大腦進化產生重大影響。