Science：人类大脑进化程度较高，源于细胞粘附调节基因

　　

生物通报道：人类神经元之间的粘附（stickiness）也许是人类大脑比其它灵长类大脑进化程度高的关键因素。美国能源部劳伦斯伯克力实验室研究人员和Joint基因组协会（Joint Genome Institute ，JGI）研究人员在比对人类、黑猩猩、小鼠等脊椎动物的基因组，发现DNA序列中，调节神经细胞粘附分子的基因存在极高的遗传差异。细胞粘附控制包括生长和构建在内的大脑发育的许多方面，能够帮助神经元之间、神经元与支持蛋白之间建立连接。人类神经元之间的分子连接与黑猩猩、小鼠等动物的神经元之间的分子连接的不同，有助于揭示为何人类的大脑具有非常复杂的认知功能。研究结果刊登于11月3日《Science》，论文题目为《Accelerated evolution of conserved noncoding sequences in the human genome》。

保守非编码区（conserved noncoding sequences ，CNSs）是许多物种中都存在的DNA序列，不负责编码蛋白，但是在基因表达过程中发挥重要的调节作用。伯克力实验室基因组部主席、JGI主席Edward Rubin博士率领的研究小组对人类、黑猩猩、小鼠等哺乳动物的CNS序列进行了比较基因组研究，鉴别出992种在人类有特异修饰的，并且集中位于神经元粘附相关基因周围的CNS。这是首次在脑部相关序列中寻找人类特异进化的基因组级别的研究。进一步比对后，研究人员认为这些CNS也许是人类脑发育和功能进化程度高的关键。

“遗传学一个未解之谜是，人类基因组中负责将人类与其它动物区别的DNA序列到底是什么，” Rubin说，“我们一直认为是可编码基因的DNA序列和控制基因开关的DNA序列的联合。此次研究将许多动物的全基因组和人类全基因组进行对比，寻找一系列可能控制基因开关的人类特异的序列变化。”

现代人类与他们的黑猩猩亲戚，98％的基因组是相同的，但是这些基因组的最终产物很不一样，特别是在大脑中（人类大脑比其它所有灵长类的大脑要复杂的多）这些不同非常明显。先前进行的无偏差全基因组研究（unbiased whole-genome studies，生物通编者译）将重点放在基因上，没能找到人类脑部基因特异进化的广泛的模式。伯克力实验室研究人员认为，人类特异的脑部进化的遗传基础可能存在于调节基因的序列，而非基因本身。

Rubin是CNS研究领域的权威之一，曾经提出：假如一种特异的非编码DNA序列在数百万年的进化过程中都是保守的，此序列很有可能是一个负责基因开启和关闭的开关。最近Rubin及其同事，开始研究CNS是否担负加速进化（accelerated evolution）的使命。

实验统计学方案设计者Prabhakar解释说“开始，我们对先前通过全基因组多重序列对比得到的、最少有1000万年进化历史的110，549个CNS进行对比。测量了这些序列在人类的平均进化速率，相对于基线鉴别出992种具有重要的人类特异核苷替换的成分。这比我们原先预计的高出79％。”

随即，Prabhakar和Noonan开始检测这些加速进化的CNS是否偏爱发生于特定功能的基因。研究发现，神经元黏附是唯一有明显过多加速进化CNS的生物学过程。为了鉴定这种形式的加速进化CNS是否也存在于其他动物，研究人员在黑猩猩和小鼠的基因组中重复了检测，分别得到1050个CNS和4707个CNS。

Noonan说：“尽管黑猩猩的加速进化的CNS也明显集中在细胞黏附基因附近，但是与人类的加速进化CNS没有重叠部分，这似乎告诉我们细胞黏附功能的加速进化在人类和黑猩猩是各自独立完成的。在小鼠基因组中没有发现有CNS富集于细胞黏附基因附近。

人类大脑和黑猩猩大脑中的神经元黏附蛋白分布的不同还不是很清楚，伯克力实验室－JGI研究人员目前正在对鉴别出的加速进化的CNS的功能序列进行分析。

Prabhakar说：“在计算方面，我们正在寻找在人类进化过程中扮演重要角色的其它类型的序列变化，比如核苷酸插入、缺失或者复制，染色体重排等。”

Rubin说：“将我们的研究结果深入一步，人类认知能力很明显示是最具代表性的一个人类属性，可以推测这些能力来自于人类特异的神经元发育。为何与黑猩猩有相同祖先的人类，认知功功能却是黑猩猩的5－6倍？研究结果也告诉我们人类和黑猩猩神经元细胞黏附基因表达的不同，是解决这个问题的分子基础。”（生物通记者 子元）

 

链接：《非编码序列发挥调控作用，促进大脑进化》