Science重磅!人類特有的基因能夠觸發猴子長出更強的大腦

2020-12-05 騰訊網

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。

研究人員在《科學》（Science）雜誌上發表了他們的研究結果，題為"Human-specific ARHGAP11B increases size and folding of primate neocortex in the fetal marmoset"。

圖片來源：Heide et al. MPI-CBG

"人類的新大腦皮層是進化中最年輕的大腦皮層，它比人類的近親黑猩猩的大腦皮層大三倍。在進化過程中，新大腦皮層的褶皺增加，以適應有限的顱骨空間。對科學家來說，一個關鍵問題是人類的新大腦皮層是如何變得如此巨大的。在2015年的一項研究中，MPI-CBG的創始主任Wieland Huttner的研究小組發現，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，甚至可以摺疊正常展開的新皮層。結果表明，ARHGAP11B基因在人類新皮層的進化擴展中起著關鍵作用。

人類特有基因的興起

大約500萬年前，人類特有的基因ARHGAP11B是普遍存在的基因ARHGAP11A的部分副本，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，在這個譜系與黑猩猩分離後，形成了黑猩猩。

在2016年的後續研究中，Wieland Huttner的研究小組發現了關於為什麼ARHGAP11B蛋白含有47個人類特有的胺基酸序列，而這些胺基酸在ARHGAP11A蛋白中沒有發現，並且對ARHGAP11B增加腦幹細胞的能力至關重要的令人驚訝的原因。

具體來說，在ARHGAP11B基因中發現的一個C到G的鹼基替換導致ARHGAP11B信使RNA中丟失了55個核苷酸，導致閱讀框的改變，從而產生了人類特有的、功能關鍵的47個胺基酸序列。這種鹼基替換發生的時間可能比基因出現的時間（大約在500萬年前）晚得多，約在150萬到50萬年前出現。這種點突變並不罕見，但在ARHGAP11B的例子中，它形成更大大腦的優勢似乎立即影響了人類的進化。

基因對猴子的影響

然而，目前還不清楚人類特有的基因ARHGAP11B是否也會導致非人類靈長類動物的新大腦皮層增大。為了研究這個問題，Wieland Huttner聯手日本川崎中央研究所實驗動物(CIEA) 的Erika Sasaki以及慶應義塾大學的Hideyuki Okano進行研究，後者開創了一種技術，可以產生轉基因非人類的靈長類動物。該研究的第一作者、博士後Michael Heide前往日本，直接在現場與同事們一起工作。

他們產生了轉基因的普通絨猴，一種新世界猴，發育的新大腦皮層中表達了人類特有的基因ARHGAP11B，但它們通常沒有這種基因。與德國一樣，日本在動物研究和動物福利方面也有同樣高的道德標準和法規。在日本獲得101天大的普通絨猴胎兒(正常出生前50天)的大腦，並送到MPI-CBG進行詳細分析。

圖片來源：Heide et al. MPI-CBG

Michael Heide解釋道："我們確實發現，普通絨猴的大腦皮層被擴大，大腦表面被摺疊。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。

道德的考慮

領導這項研究的Wieland Huttner補充道："我們的分析局限於絨猴胎兒，因為我們預期這種人類特有基因的表達會影響絨猴的新大腦皮層的發育。考慮到胎兒出生後大腦功能可能出現的不可預見的後果，我們認為這是先決條件--從倫理角度來說也是強制性的，即首先要確定ARHGAP11B對胎兒絨猴新大腦皮層發育的影響。"

研究人員認為，這些結果表明，人類特有的ARHGAP11B基因可能在人類進化過程中導致了新大腦皮層的擴展。

本文來源：生物谷

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" Science (2020). DOI：10.1126/science.abb2401

文章來源於柳葉刀學術

往期推薦

華人著名病毒學家邱香果案最新進展

校長黃愛龍再發力：為什麼D614G突變可以可增強新冠病毒感染力？

北京新冠基因序列公布：具有D614G突變

連發三篇《自然·醫學》，重慶醫科大學揭示無症感染者體內抗體或只能維持兩到三個月

高福：北京疫情可能4月底就有了，病毒潛伏後集中爆發

饒毅四年前對川普的精準預判：他是種族主義者！

相關焦點

  • Science：導入了人類特有基因後，猴腦有了進化的趨勢
    最近，科學家們將一個人類特有的基因轉入到了猴子之中，使其長出了更加強大的頭腦。，可能在人類大腦進化中發揮著重要作用。特定的基因，讓大腦更強大人類基因與其他靈長類動物只有些許的差別，但是人卻有著更大的腦容量，而且更加聰明。
  • Science:導入了人類特有基因後,猴腦有了進化的趨勢
    最近，科學家們將一個人類特有的基因轉入到了猴子之中，使其長出了更加強大的頭腦。這項發表在Science的研究向我們揭示了：這個人類特有的基因，可能在人類大腦進化中發揮著重要作用。這很可能是人類區別於其他靈長類動物的重要原因。但是，這個基因的出現，卻是一個「美麗的意外」。
  • 將人類基因植入後,科學家發現猴子的大腦更像人類了
    近日，在一項實驗室實驗中，科學家將一種人類基因植入了猴子的大腦。專家們發現，這種被稱為ARHGAP11B的基因的插入，導致了普通絨猴胎兒的新大腦皮層變大。新大腦皮層是大腦深處的溝槽外層，參與推理、語言、意識思維和其他重要功能。ARHGAP11B在人類中發現，但在非人類靈長類或其他哺乳動物中沒有發現，它觸發了猴子的腦幹細胞形成更多的幹細胞，擴大了大腦體積。
  • Science:人類特有基因決定腦容大小
    2015年3月3日 訊 /生物谷BIOON/ --人類約有99％的基因與黑猩猩相同，只有極小部分不同。但是我們有一個重要的區別：即人類的大腦是黑猩猩大腦的三倍大。在進化過程中我們的基因組為了觸發大腦發育必然已經發生了改變。
  • 科學家將人類的「高智慧基因」傳給了猴子,最後不得不終止了實驗
    答案是顯而易見的，雖然人類沒有尖牙利齒，但是人類卻擁有地球上獨一無二的高級智慧。 從表面上來看，人類的高級智慧來自於高度發達的大腦，它能夠讓人類具備超強的空間感知能力、邏輯思考能力、語言溝通能力……等等等等，正是因為如此，人類才懂得了如何製作工具、如何使用火、如何團隊協作，並一步一步地在地球上創造了輝煌的文明。
  • 科學家將人類的「高智慧基因」轉給了猴子，最後不得不終止了實驗
    答案是顯而易見的，雖然人類沒有尖牙利齒，但是人類卻擁有地球上獨一無二的高級智慧。從表面上來看，人類的高級智慧來自於高度發達的大腦，它能夠讓人類具備超強的空間感知能力、邏輯思考能力、語言溝通能力……等等等等，正是因為如此，人類才懂得了如何製作工具、如何使用火、如何團隊協作，並一步一步地在地球上創造了輝煌的文明。
  • 科學家找到人類特異性基因,可讓動物長出類似人類的腦結構
    是什麼讓人類能夠在殘酷的自然競爭中脫穎而出，成為地球上唯一的高級智慧生物呢？答案是我們的大腦，人類的大腦大約是黑猩猩大腦的三倍，這讓我們能夠擁有更加高級的智慧，能夠處理更加複雜的問題。特殊的ARHGAP11B基因研究人員從小鼠胎兒組織和人類大腦組織中分離出不同類型的幹細胞和祖細胞。與人類大腦「大而摺疊」的特點相反，小鼠大腦是「小而光滑」，研究人員分離出特定組織後，比較了在各種細胞類型中活躍的基因，並鑑定出僅存在於人類且在大腦發育中起作用的56個基因。
  • 人類基因被插入猴子胚胎，導致其大腦快速進化，實驗讓科學家擔心
    ，表面擁有非常多的凹陷和突起所形成的褶皺，這些結構就使得人類的大腦在有限的體積內，長出了非常大的表面積。經過研究，科學家在人類的身上發現了一種獨有的DNA片段：ARHGAP11B，這種DNA片段在其他動物身上，甚至是黑猩猩的身上都沒有；科學家認為正是這一種單一的、人類特有的基因造成了人類大腦發育出了大量的神經元，並且這些神經元導致了人類大腦形成了特有的褶皺；使得人類的大腦可以在有限的空間內將更多的腦細胞壓縮成更小的體積。
  • 人類基因被插入猴子胚胎,導致其大腦快速進化,實驗讓科學家不安
    因為人類的大腦看起來是這樣的：人類大腦看起來像一顆核桃仁，表面擁有非常多的凹陷和突起所形成的褶皺，這些結構就使得人類的大腦在有限的體積內，長出了非常大的表面積。經過研究，科學家在人類的身上發現了一種獨有的DNA片段：ARHGAP11B，這種DNA片段在其他動物身上，甚至是黑猩猩的身上都沒有；科學家認為正是這一種單一的、人類特有的基因造成了人類大腦發育出了大量的神經元，並且這些神經元導致了人類大腦形成了特有的褶皺；使得人類的大腦可以在有限的空間內將更多的腦細胞壓縮成更小的體積
  • 人類將「智慧基因」植入猴子大腦,接下來,可怕的事情發生了……
    人類將"智慧基因"植入猴子大腦，接下來，可怕的事情發生了…眾所周知，人類並不是地球上最強壯的生物，但是最具有智慧的生物。人類自從誕生到現在，不過一萬多年。但是在這一萬年的時間裡，我們卻創造出地球47億年的歲月，所有生物都沒能創造出的文明。
  • 人類將"智慧基因"植入猴子大腦，接下來，可怕的事情發生了…
    人類將"智慧基因"植入猴子大腦，接下來，可怕的事情發生了…眾所周知，人類並不是地球上最強壯的生物，但是最具有智慧的生物。人類自從誕生到現在，不過一萬多年。但是在這一萬年的時間裡，我們卻創造出地球47億年的歲月，所有生物都沒能創造出的文明。
  • 人類獨有「高智慧基因」,科學家植入到猴子體內,實驗被迫中止!
    這都得益於我們有一顆高度發達的大腦，它可以協調我們的身體進行合作，擁有邏輯思維能力，正是大腦的活躍，才讓我們知道如何使用工具，一步一步利用雙手創造出燦爛輝煌的文明。人類特有的基因除了高度發達的大腦之外，人類變得極為聰明，還和一個基因有著非常大的關係，它叫做ARHGAP11b。
  • 人類基因讓猴子腦容量擴大,後果科學家難以承擔,無奈終止實驗!
    意外發現了人類祖先體內，在基因複製的過程中丟了55個核苷酸，本以為只是一個小問題，沒想到卻讓大腦的神經元細胞開始了發展。人類獨有基因正是這個結果讓大腦開始發展，人類慢慢演變成為高智慧文明，所以這是人類和其他動物的不同，這其實都是人類獨特特色，當然在這個過程中人類產生了很多怪癖，人類祖先在和黑猩猩剛剛分離不久後，大腦開始急劇發育，和300萬年前相比整整擴張了三倍左右。
  • 人類基因植入猴腦後變得更強大!
    科學家將人類基因ARHGAP11B植入猴子胎兒中，發現該基因導致猴子大腦體積增大，包括出現類似人類大腦皮質褶皺增多。然而，這項研究對基因工程提出了嚴重的倫理問題。大腦新皮質是人類大腦進化形成的新部分，它佔據了人類大腦的75%以上，與人類推理、語言等認知能力有關，正是由於大腦新皮質的存在，才使得人類在自然界中「獨一無二」。
  • 人類基因植入猴腦後變得更強大
    科學家將人類基因植入猴子胚胎，結果發現顯著增大了猴子大腦體積，並且猴子胚胎大腦功能正常。左圖是正常猴子的大腦，而右圖則是攜帶表達人類ARHGAP11B基因的猴子大腦。　　ARGHAP11B基因出現在大約500萬年前人類祖先，當時出現了一個「小意外」，該基因是普遍存在ARGHAP11A基因的副本。
  • 人類基因讓猴子腦容量擴大, 後果科學家難以承擔, 無奈終止實驗!
    ，沒有一個人知道人類的祖先究竟是誰，經過科學家檢驗，發現黑猩猩有可能是人類近親，或許猿猴類生物有可能和人類起源有聯繫，於是人類把所有的目光都放在了研究猴子身上。意外發現了人類祖先體內，在基因複製的過程中丟了55個核苷酸，本以為只是一個小問題，沒想到卻讓大腦的神經元細胞開始了發展。
  • 科學家將人類基因植入猴腦,它竟變聰明了,這些猴子後來怎麼樣?
    將人類基因植入猴子胚胎然而，比這一研究更令人吃驚的是，在一項將人類基因植入猴子胚胎的實驗，觀察過程中，科學家發現了它們的奇怪變化。據悉，此次植入猴子胚胎的人類基因名為ARHGAP11B，這是原始人特有的基因片段，被科學家認為在人類大腦皮層發育中扮演重要的角色。
  • 人類特有的基因,被植入到狨猴的大腦,出現了人類的大腦皮層!
    那麼在現實生活當中，人類基因有沒有可能和動物的基因相結合，產生新的個體呢？根據科學雜誌的論文來看，德國和日本的科學家就將人類的基因，注入到了狨猴胚胎大腦當中，而最終的結果更是讓人不寒而慄。，而加入人類基因的一個褶皺更加的明顯，新的皮層不斷擴大。
  • Science重磅發布:人類大腦細胞結構的三維概率圖譜
    Julich腦圖譜是基於23個人死後大腦的組織學切片獲得的。經過41個項目，繪製出了人類大腦的248個細胞結構區域圖（圖1）。(B) JuGEx能夠分析細胞結構圖(C) 中的差異基因表達，探索基於DTI的連通性(如左Broca's 45區)。(D)在一名腦損傷和失語症患者的數據集上疊加Broca 44區的概率圖。該圖譜可以精確地描述神經影像學發現的微觀解剖位置，並且使用圖譜作為一個掩模工具來量化這些發現。
  • Science重磅發布：人類大腦細胞結構的三維概率圖譜
    Julich腦圖譜是基於23個人死後大腦的組織學切片獲得的。經過41個項目，繪製出了人類大腦的248個細胞結構區域圖（圖1）。在一個共同的立體定位參考空間中，Julich腦圖譜允許比較不同研究中獲得的功能激活、網絡、基因表達模式、解剖結構和其他數據(圖3)。