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使用新技术精密识别人与黑猩猩的遗传差异

时间: 2021年03月26日 | 作者: Admin | 来源: 科研圈
研究人类演化的最佳方式之一,就是同演化层面上与我们密切相关的非人类物种进行对比,并找出其中的相似性。



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图片来源:Pixabay


来源 斯坦福大学

翻译 刘诗宇

编辑 戚译引


研究人类演化的最佳方式之一,就是同演化层面上与我们密切相关的非人类物种进行对比,并找出其中的相似性。尽管这能够帮助科学家寻找我们身为人类的关键,但它所提供的视野却过于狭窄,因此极难定义。为了消除这一矛盾,来自美国斯坦福大学(Stanford University)的研究者们发明了一项用来比对基因差异的新技术。


通过用该技术进行的两组独立实验,研究人员发现了人类与黑猩猩间新的遗传差异:SSTR2 和 EVC2 显著的表达差异。SSTR2 是一个在大脑皮层中调控神经元的活动的基因,并已知与人类的某些神经精神疾病(例如阿尔茨海默病和精神分裂症)相关,而 EVC2 则与面部形状紧密相关。研究结果于 3 月 17 日分别发表于《自然》(Nature)与《自然-遗传学》(Nature Genetics)。


“研究人类演化具有重要意义,这不仅仅是为了理解我们从何而来,也是为了搞清楚为什么人类会患上那些其他物种中未曾出现的疾病,”本文的通讯作者,近期于斯坦福大学遗传学专业毕业的 Rachel Agoglia 表示。


发表于《自然》的研究阐述了这项新技术的细节。它涉及将人类和黑猩猩的皮肤细胞修饰,使其表现出类似干细胞的行为,然后让两者融合。干细胞具有在人为干预下分化为多种其他细胞类型的能力(但无法产生完整生物体)。


“这些细胞在此类研究中发挥着重要且特别的作用,使我们能够精确地并行对比人类和黑猩猩的基因和它们的活性,”斯坦福大学人文与科学学院(Stanford's School of Humanities and Sciences)的生物学副教授 Hunter Fraser 表示。Fraser 是《自然-遗传学》研究的资深作者,并且与斯坦福药学院(Stanford School of Medicine)精神病学和行为科学准教授 Sergiu Pașca 同为《自然》研究的共同资深作者。



仔细对比


顺式调控元件(cis-regulatory element)会影响位于同一条 DNA 分子或染色体上附近基因的表达,而Fraser 实验室致力于探索在此层面比对人类与其他灵长类动物遗传信息的方式。而另一类元件——反式调控因子(trans-regulatory factor),能够调控位于基因组中其他染色体上遥远基因的表达。由于它们产生的广泛影响,在紧密相关的物种中,反式调控因子(例如蛋白质)相比于顺势调控元件更不容易发生变化。


但即使科学家已经能够采用人类和黑猩猩中相似的细胞进行试验,他们仍然需要提防潜在的干扰因素。比如说,Pașca 解释道,不同物种之间发育时序的差异显著阻碍着大脑发育的研究。这是因为人类大脑与黑猩猩大脑会以极为不同的速度发育,而且并没有一种明确的方式来将两者直接比对。将人类和黑猩猩的 DNA 置于同一个细胞核中,使科学家能够排除大部分的干扰因素。


在利用这些细胞的初步实验中,Agoglia 诱导细胞形成皮质球状体(cortical spheroids),这是一种类器官,由一束脑细胞构成,高度模拟了发育中的哺乳动物大脑皮质。Pașca 实验室处在发展大脑类器官和类组装体(assembloid)领域的前沿,并以此研究人类大脑如何组装,以及疾病如何影响这一过程。


“人类大脑在它大多数的发育阶段中都是无法被介入研究的,无论是分子层面还是细胞层面,因此我们引入了皮质球来帮助我们介入这些关键过程,”Pașca 表示,他同时也是斯坦福大脑器官发生学(Stanford Brain Organogenesis)项目主管(Bonnie Uytengsu and Family Director)。


当大脑细胞组成的 3D 簇在培养皿中发育成熟,它在这个过程中会模拟其物种早期神经发育的遗传活动。由于人类和黑猩猩的 DNA 被“绑定”,置于相同的细胞环境中,它们因而被暴露在相同的条件下,并且平行成熟。因此,研究者们借此观测到的遗传活动差异,能够被合理地归因于两个物种间真实存在的遗传学差异。


研究者利用生长了 200 天的融合细胞来培育类脑器官,并借助它锁定了数千个在不同物种间表现出顺势调节差异的基因。他们决定深入研究其中一个名为 SSTR2 的基因。这个基因编码促生长素抑制素(somatostatin)神经递质受体,在人类神经元中大量表达。研究人员进一步比较了人类和黑猩猩细胞,并确认这种蛋白质在人类皮层细胞中的表达量更高。在此之上,研究人员用能够结合 SSTR2 的小分子药物处理黑猩猩与人类细胞,并发现相比于黑猩猩的细胞,人类神经元对它的反应更加显著。


这表明人类皮层回路的神经元活动能够经由神经递质进行调节。有趣的是,因为 SSTR2 参与了许多脑部疾病,这种神经调节活动可能同样与疾病相关。


“在灵长类脑部的演化过程中,神经回路中可能加入了极其复杂的神经调控特征,而这些调控过程在特定条件下会被扰乱,从而增加其对神经精神疾病的易感性,”Pașca 表示。


Fraser 表示,这些结果本质上“证明了我们在这些融合细胞中观测到的现象确实与细胞的生理相关”。



调查极端差异


在发表于《自然-遗传学》的研究中,实验小组将他们的融合细胞诱导为颅神经嵴(neural crest)细胞。此结构在头骨和面部引发骨骼和软骨的产生,并决定面部长相。


“我们对于这些类型的细胞很有兴趣,因为面部差异被认为是人类和黑猩猩之间最极端的解剖学差异之一,而且这些差异事实上能够在诸多方面上影响我们的行为和演化,例如进食、感官、大脑增大和语言,”Fraser 实验室的博士后、发布于《自然-遗传学》研究的通讯作者 David Gokhman 表示,“同样,人类中最常见的多种先天性疾病也与面部结构相关。”


在融合细胞中,研究者们确认了一种基因表达通路,它在黑猩猩基因中的活跃程度远比在人类基因中更高。这其中,基因 EVC2 在黑猩猩中的活跃程度达到人类中的 6 倍。现有的研究已经表明,具有失活 EVC2 的人类拥有比他人更扁平的面部,这表明此基因能够解释人类拥有相比其他灵长类更为扁平的面部的原因。


研究者们进一步确认,25 个与失活 EVC2 相关的可观测面部特征在人类和黑猩猩间存在明显不同。而这其中,有 23 个特征的差异并不符合研究者们基于人类中 EVC2 的低活性所做出的预期。在此之上,研究者们又降低了小鼠中 EVC2 的活性,并发现它在啮齿类动物中也能起到相似的效果,导面部发育得更为扁平。



工具盒中的新工具


这个新的实验平台并不打算取代现有的细胞比对研究,但研究者们希望它有助于带来关于人类演化和整体演化进程的新发现。


“人类的发育和人类基因组已经被详尽地研究了,”Fraser 表示,“我的实验室对人类演化很有兴趣,不过仰赖于如此丰富的知识财富,这个成果也同样能够拓宽我们探索演化过程的视角。”


展望未来,Fraser 实验室正着力于将融合细胞诱导分化为其他类型的细胞,包括肌肉细胞、其他类型的神经元细胞、皮肤细胞和软骨细胞,来拓宽他们研究人类独有特质的研究范围。与此同时,Pașca 实验室正着眼于调查与星形胶质细胞(astrocyte)相关的遗传差异,这些细胞是中枢神经系统中体积较大的多功能细胞,但往往由于科学家更倾向于研究那些更风光的神经元而被忽视。


“人们总是在思考神经元是如何演化的,但同时我们不应该低估星形胶质细胞在演化中发生的变化。仅仅是人类与其他灵长类动物中,星形胶质细胞大小的差异就已经十分巨大,”Pașca 表示。“我的导师,已故的 Ben Barres,称这些细胞为‘人类的基础’,我们都认定他一定是发现了什么。”


参考来源:

https://news.stanford.edu/press/view/38666