Molecular signature of primate astrocytes reveals pathways and regulatory changes contributing to human brain evolution：探索灵长类星形胶质细胞演化奥秘，解锁人类大脑进化密码

在大脑进化研究中，为探究灵长类星形胶质细胞（astrocyte）的演化机制，研究人员利用诱导多能干细胞（iPS）技术获取人、黑猩猩和猕猴的 iPS 细胞衍生星形胶质细胞（iAstrocytes）进行研究。结果发现人 iAstrocytes 更大更复杂，且相关基因和调控通路存在变化。该研究揭示了灵长类星形胶质细胞演化的分子特征，为理解人类大脑进化提供了重要依据。

　　大脑，这个人体最神秘的器官，蕴含着无数的奥秘，其进化历程更是科学界关注的焦点。星形胶质细胞（astrocyte）在大脑中起着至关重要的作用，它不仅支持血脑屏障，维持细胞外环境的稳定，还参与神经递质的代谢，对突触的形成、活动和消除都有影响，进而调控大脑的高级功能。然而，目前关于灵长类动物中星形胶质细胞的演化机制仍存在诸多疑问。比如，虽然知道星形胶质细胞在动物进化过程中发生了显著变化，人类的星形胶质细胞比啮齿动物和其他灵长类动物更大、更复杂，但基因表达变化与星形胶质细胞形态和功能的进化调控之间有怎样的联系？胎儿星形胶质细胞转录组在灵长类中的变化情况如何？人类与非人类灵长类（NHP）的星形胶质细胞调控组有何差异？这些问题都亟待解决。为了深入探究这些问题，来自多个研究机构的研究人员共同开展了一项关于灵长类星形胶质细胞进化的研究，相关成果发表在《Cell Stem Cell》杂志上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在样本获取上，利用来自不同个体的人、黑猩猩和猕猴的诱导多能干细胞（iPS cells），通过既定程序分化得到星形胶质细胞（iAstrocytes） 。在分析技术方面，运用了批量 RNA 测序（RNA-seq）、染色质可及性分析（ATAC-seq）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）以及原位 Hi-C 等技术，从转录组、表观基因组等多个层面进行研究。同时，还使用了深度学习模型卷积神经网络（CNN）来预测增强子活性。
下面来详细看看研究结果：

1. iAstrocytes 重现星形胶质细胞进化的显著特征：研究人员通过特定的实验流程获得了灵长类的 iAstrocytes，这些细胞表达典型的星形胶质细胞标记物，具备相应的功能，如摄取谷氨酸、对细胞外 ATP 产生钙信号响应等，且与大鼠胚胎皮质神经元共培养时能促进神经元的突触发生和存活。此外，研究证实 iAstrocytes 的分化状态与胎儿星形胶质细胞相似，这表明成功将 iNP 细胞转化为功能性胎儿星形胶质细胞。同时发现，人 iAstrocytes 比黑猩猩和猕猴的 iAstrocytes 具有更大的细胞表面积和更多的初级分支，这一结果反映了体内人类星形胶质细胞比其他灵长类更大的现象，也说明 iAstrocytes 可作为体外模型研究星形胶质细胞生物学进化的调控机制。
2. 星形胶质细胞进化中的基因表达变化：通过对不同物种 iAstrocytes 的 RNA-seq 分析，研究人员发现人与非人类灵长类 iAstrocytes 之间存在大量差异表达基因（DEGs），且这些基因在进化过程中多表现为转录调节而非剧烈变化。其中，TEA 结构域转录因子 3（TEAD3）在人类 iAstrocytes 中表达上调，且该基因与细胞和器官大小调控有关。实验表明，抑制 TEAD3 会导致人类 iAstrocytes 的大小和复杂性降低，而对非人类灵长类 iAstrocytes 无显著影响，这说明 TEAD3 参与调控人类 iAstrocytes 的形态。此外，研究还发现人类 iAstrocytes 中与细胞外囊泡（EVs）相关的基因表达增加，且分泌的 EVs 数量更多。将人类 iAstrocyte 的 EVs 作用于猕猴 iAstrocytes 后，可使其细胞表面积增大，分支增多，这表明 EVs 在星形胶质细胞形态进化中发挥作用。另外，在灵长类星形胶质细胞进化过程中，与染色质生物学相关的基因下调，与神经系统疾病相关的基因也常被下调，尤其是与智力障碍（ID）相关的基因，在人类大脑中整体呈下调趋势。
3. 转录变化与增强子元件及染色质拓扑结构的关系：研究人员利用 ATAC-seq 和 ChIP-seq 技术研究发现，转录变化与增强子元件数量的净增加相关，且在进化过程中，基因表达变化的位点伴随着增强子开放性的逐步增加，同时染色质拓扑相关结构域（TADs）在很大程度上得以保留。此外，TADs 内的基因表达变化具有协同性，大多数上调的进化受影响基因（EAGs）位于人类谱系中获得的增强子附近，这表明增强子在基因表达调控和进化中具有重要作用。
4. 条纹转录因子（stripe TFs）结合位点的获得与基因激活相关：通过对比与基因激活相关和不相关的增强子序列变化，研究人员发现与基因激活相关的增强子中，条纹转录因子（stripe TFs）结合位点的变化更为频繁。深度学习模型也证实，人类特异性增强子中条纹 TFs 结合位点的增加可提高增强子的活性，进而促进基因表达。这表明条纹 TFs 在塑造增强子活性和基因表达的进化过程中起着重要作用。
   在讨论部分，研究人员指出，iPS 细胞衍生的星形胶质细胞（iAstrocytes）可作为研究星形胶质细胞进化的有效模型，揭示了灵长类动物中星形胶质细胞在细胞结构和功能多样性方面的遗传编码差异。细胞外囊泡（EVs）可能是人类大脑复杂性增加的关键因素，其在星形胶质细胞形态进化中的作用值得进一步研究，且有望成为神经退行性疾病治疗的新工具。此外，智力障碍相关基因在灵长类星形胶质细胞进化中的下调现象，其功能后果虽尚不明确，但可能与人类转录组的复杂性以及大脑细胞多样性有关。同时，研究还发现条纹 TFs 结合位点的获得是增强子获得顺式调控潜力的重要机制，为理解增强子在进化中的作用提供了新的视角。
   综上所述，该研究通过多种实验技术深入探究了灵长类星形胶质细胞的进化机制，揭示了其在基因表达、调控元件和细胞形态等方面的变化，为进一步理解人类大脑进化提供了重要线索，也为相关疾病的研究和治疗开辟了新的方向。