狨猴實驗揭秘人類進化,人類特異性基因可引起新皮質擴張

2020-12-05 澎湃新聞

狨猴實驗揭秘人類進化，人類特異性基因可引起新皮質擴張

2020-06-25 07:58 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

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作者：竹子

導言：或許是600萬年前的機緣巧合，一種人類特異性基因使人與黑猩猩分道揚鑣，開啟了自然歷史上最為神奇的進化過程——人腦的進化。大腦擴張是人類大腦進化中一個重要的特徵。《科學》上一項新研究表明，這種基因會引起新皮質變大，在人類進化過程中起著關鍵作用。

前有研究表明，人類特異性基因ARHGAP11B，在小鼠和雪貂中會引起新皮質（neocortex）變大，大腦體積進而增大，但其與靈長類動物進化的相關性尚不清楚。

為了研究ARHGAP11B基因對靈長類動物的作用，德國馬克斯普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所（MPI-CBG），與產生轉基因非人類靈長類動物技術的日本川崎市的中央實驗動物研究所（CIEA）和東京慶應義塾大學合作，發現轉基因狨猴正在發育的新皮層中表達人類特異性基因ARHGAP11B，而通常它們沒有這種基因。結合先前研究得出結論：ARHGAP11B引起了新皮質變大，從而促進人腦進化。他們在《科學》雜誌上發表了他們的發現。

人類特異性基因的興起

ARHGAP11B基因在人類大腦進化中發揮了關鍵作用

科學家認為生物進化過程中人類的先祖一定發生了基因組變異，刺激了腦生長。

2015年，德國馬克斯·普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所（MPI-CBG）的研究小組負責人維蘭德·赫特納（Wieland Huttner）及其團隊，首次確定ARHGAP11B基因只存在於人類，並且它與基底腦幹細胞再生、觸發大腦皮層摺疊相關。人類特有的ARHGAP11B基因是普遍存在的ARHGAP11A基因的部分複製，隨尼安德特人、丹尼索瓦人和現在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。ARHGAP11B會導致人腦發育過程中產生更多的神經元，使負責說話和思維等高級認知能力的大腦體積增加。

2016年，Wieland Huttner領導的研究，解釋了為什麼ARHGAP11B蛋白包含47種胺基酸序列是人類特異性的，未在ARHGAP11A蛋白中發現，以及是ARHGAP11B增加腦幹細胞的能力的必備條件。具體來說，在ARHGAP11B基因中發現一個C到G鹼基的鹼基替換會導致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且功能關鍵的47個胺基酸序列。這種點突變並不罕見，但是在ARHGAP11B的例子中，其形成更大大腦的優勢似乎立即影響了人類的進化。

ARHGAP11B的道德考量

在動物研究和福利方面，日本的道德標準和法規與德國相似。日本獲得了101天大的狨猴胎兒的大腦（正常出生日期前50天），然後將其出口到德勒斯登的MPI-CBG進行詳細分析。

一個101天大的ARHGAP11B轉基因胎兒狨猴的大腦半球的切片的顯微鏡圖像。DAPI（白色）顯示細胞核；箭頭顯示溝和回。

野生型（正常）和ARHGAP11B轉基因胎兒（101天）狨猴的大腦。黃線：大腦皮層邊界；白線：發育的小腦；箭頭：褶皺。

研究人員表示，普通狨猴的新大腦皮層確實變大了，並且大腦表面摺疊了，皮層板也比正常的厚。此外，可以看到在腦室下區（outer subventricular zone ） 的放射狀膠質祖細胞（radial glia progenitors）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會增加。這項研究提供了功能的佐證，表明ARHGAP11B會導致靈長類動物新皮質變大。

Wieland Huttner補充，他們的分析僅限於狨猴胎兒，因為他們預期ARHGAP11B的表達會影響狨猴的新皮質發育。鑑於ARHGAP11B對胎兒出生後大腦功能的潛在不可預見的影響，他們認為，從倫理角度出發，必要的前提條件是首先確定ARHGAP11B對胎兒狨猴新皮質發育的影響。

參考：

【1】https://medicalxpress.com/news/2020-06-human-brain-size-gene-triggers.html

【2】https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.abb2401

"Human-specific ARHGAP11B increases size and folding of primate neocortex in the fetal marmoset" Science (2020). DOI: 10.1126/science.abb2401

【3】http://www.yacoo.com.cn/exhibitioninfo/5850

原標題：《【Science】狨猴實驗揭秘人類進化！人類特異性基因可引起新皮質擴張》

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關鍵詞 >> 狨猴,基因

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