《Nature Communications》：Human-specific morphoregulatory signatures in basal radial glia characterise neocortex evolution
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作为人类认知的所在，新皮层令人无比着迷。人类新皮层在进化过程中的扩张被归因于发育过程中神经祖细胞增殖能力的增强，特别是基底放射状胶质细胞（basal radial glia, bRG）。尽管其具有进化相关性，但驱动人类bRG生物学的基因组变化仍未得到表征。研究
作为人类认知的所在，新皮层令人无比着迷。人类新皮层在进化过程中的扩张被归因于发育过程中神经祖细胞增殖能力的增强，特别是基底放射状胶质细胞（basal radial glia, bRG）。尽管其具有进化相关性，但驱动人类bRG生物学的基因组变化仍未得到表征。研究人员利用从大猩猩、黑猩猩和人类大脑类器官中分离的神经祖细胞进行比较染色质和转录谱分析，以鉴定在人类中获得活性的顺式调控元件（cis-regulatory elements, CREs）。特别聚焦于bRG，研究人员发现形态调控增强子活性和基因表达特征将人类bRG与其他大型猿类区分开来。在人类类器官中对形态调控基因FAM107A和CNGA3进行功能分析揭示，这些基因有助于人类bRG的形态复杂性。综上所述，研究人员的跨物种bRG比较表明，人类特异性形态调控特征表征了新皮层进化。
人类新皮层是高级认知功能（如语言、自我反思和长期规划）的神经基础。在灵长类进化中，新皮层显著增大，神经元数量达到峰值。这一扩张被认为与神经祖细胞增殖能力的增强密切相关，尤其是基底放射状胶质细胞（basal radial glia, bRG）的丰度和增殖潜能。然而，驱动人类bRG生物学的人类特异性基因组变化尚未阐明。已有研究提出，物种间差异大多源于共享基因的差异性调控，即由顺式调控元件（cis-regulatory elements, CREs）活性变化介导。由于非人灵长类胎儿组织不可及，人类bRG中真正特异的CRE活性难以直接研究。近年来，大猿诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）和3D类器官模型为相关研究提供了新平台。为此，研究人员利用大猩猩、黑猩猩和人类大脑类器官（cerebral organoids, CeOs），结合比较染色质与转录组分析，旨在鉴定人类bRG中可能贡献于其增殖潜能和神经元输出、并最终促进新皮层扩张的CRE活性模式。
研究人员从大猩猩、黑猩猩和人类iPSC系生成CeOs，并在人类胎儿皮层组织（孕13–14周）的对照下，利用亲脂性染料DiI标记和荧光激活细胞分选（FACS）分离出顶侧放射状胶质细胞（aRG）、bRG、基底中间祖细胞（basal intermediate progenitors, bIPs）和神经元。通过ATAC-seq和RNA-seq分析，结合HALPER进行跨物种峰比对，并利用已发表的Hi-C数据将CRE与靶基因关联。功能实验中，采用荧光素酶报告基因、人类皮层类器官电穿孔、CRISPR/Cas9敲除和CRISPRi等技术，验证了候选增强子的活性和基因功能。该研究成果发表在《Nature Communications》。
主要技术方法：研究人员使用人类（WTC11、HPSI0114i-kolf_2-C1、CRTDi004-A）、黑猩猩（SandraA）和大猩猩（GC190）iPSC系生成3D大脑类器官，并使用了孕13–14周人类胎儿皮层组织（来源：德累斯顿工业大学和人类发育生物学资源库HDBR）。采用DiI标记结合FACS分离四种神经细胞类型；使用ATAC-seq检测染色质可及性，RNA-seq检测转录组；HALPER用于跨物种峰比对；利用Hi-C数据将候选CRE连接到靶基因；功能验证通过荧光素酶报告基因、脑片类器官电穿孔、CRISPR/Cas9敲除和CRISPRi等方法完成。
结果如下：
1. 大猿bRG的不同分子特征（Distinct molecular profiles of great ape bRG）：通过ATAC-seq分析，主成分分析显示细胞类型在PC1（47%变异）分开，物种在PC2（24%变异）分开，表明不同细胞类型具有保守的分子特征，同时存在物种特异性差异，包括人类bRG的特有特征。
2. 人类bRG染色质可及性连接形态调控基因（Human bRG chromatin accessibility links to morphoregulatory genes）：比较人类与大猩猩、黑猩猩bRG中差异可及的染色质区域，并与人类胎儿bRG交叉验证，鉴定出599个人类bRG候选CRE（hbRG cCRE）。这些区域通过Hi-C关联到589个靶基因，GO分析显示它们富集于前脑发育、细胞连接组装和神经元形态调控等过程，提示bRG可能利用神经元相关CRE调控自身形态。
3. 人类bRG表达与细胞突起相关的因子（Human bRG express factors associated with cell projections）：RNA-seq分析发现939个黑猩猩与人类bRG间的差异表达基因，其中人类上调基因富集于“神经元或细胞突起调控”、“轴突发生”等过程。研究人员计算“形态调控通路活性评分”，发现人类bRG的评分几乎等同于神经元，高于人类aRG、bIP以及黑猩猩祖细胞，表明人类bRG的形态调控程序显著增强。
4. 人类bRG显示出从神经元共选的签名（Human bRG show signatures of co-option from neurons）：将人类bRG上调基因映射到已发表的人类胎儿、猕猴胎儿和小鼠胚胎皮层数据中，发现这些基因在神经元中高表达，且这种模式跨物种保守。这表明人类bRG可能部分共选了祖先神经元基因表达程序，从而增强其形态复杂性。
5. 人类bRG形态调控增强子活性增强（Increased activity of human bRG morphoregulatory enhancers）：针对FAM107A和CNGA3的候选增强子，荧光素酶报告实验显示，人类序列的增强子活性显著高于黑猩猩同源序列。在人类皮层类器官中电穿孔验证了人类增强子能在SOX2+放射状胶质细胞中驱动报告基因表达。CNGA3增强子含有人类特异性核苷酸变化，可创建十一个转录因子的结合位点。
6. FAM107A和CNGA3调控bRG的形态复杂性（FAM107A and CNGA3 regulate the morphological complexity of bRG）：通过CRISPR/Cas9敲除FAM107A或CNGA3，人类皮层类器官中具有复杂形态（如双极、多极）的bRG比例降低；FAM107A敲除还显著减少bRG的初级突起数量，并导致神经元产生减少。在黑猩猩类器官中过表达FAM107A同样影响形态，提示其表达水平受到精密调控。
讨论部分总结指出，人类bRG可能通过重新利用（共选）神经元基因调控网络来调节自身形态，这是推动新皮层进化的重要机制。同时，讨论也指出了类器官模型的局限性，例如第二孕期外亚室区结构形成不充分，以及物种间发育时序可能存在的差异。研究结论部分总结道，该研究提供了对人类bRG特异性分子程序的公正认识，鉴定出多个在CRE活性上存在物种间差异的区域，这些区域影响与细胞形态相关的基因表达。虽然人类特异性性状可能由少数大效应突变或许多小效应突变共同导致，但本研究扩展了以往对共享基因差异表达的认识。最终，研究将人类特异性形态调控特征确定为新皮层进化的一个重要特征，拓宽了对人类bRG区别于其他大猿物种的生物学过程的理解。
