新研究揭示基因表現在人類大腦演化中的關鍵角色

加州大學聖塔芭芭拉分校的李秀珍（Soojin Yi）教授及其團隊，致力於探究相較於黑猩猩，不同型別腦細胞中的基因是如何演化的。他們發現，雖然人類基因所編碼的蛋白質，與其他猿類幾乎相同，但人類許多基因的表現效率，卻遠高於其他靈長類動物。

與非人靈長類動物的大腦相比，人類大腦中的基因差異表現，是人類演化的關鍵分子特徵。喬希（Joshy）等人的研究顯示，人類大腦的基因差異表現，涵蓋了高度分化的細胞型別特異性變化。儘管細胞型別多樣，但人類腦細胞的基因表現總體呈上升趨勢，而非下降。研究團隊還揭示了不同細胞型別中經歷差異表現的特定功能程式，以及與這些變化相關的基因組和表觀基因組特徵。

當科學家開始認識到基因組作為生命藍圖的重要性時，他們曾認為人類基因組或許能解釋人類獨特的特質。

然而，2005年一項與黑猩猩的詳盡比較研究發現，人類與黑猩猩有99%的基因相同，不過後來科學家對這一數字有所修正。

這一結果證實了早期基於少量基因的研究，這些研究表明人類與黑猩猩的基因組差異甚微。

如今，生物學家懷疑基因表現可能是造成這些差異的根源。以帝王蝶為例，成年帝王蝶與幼蟲時期擁有相同的基因組。這兩個生命階段之間令人驚歎的差異，都歸因於基因表現。開啟或關閉不同的基因，或者讓基因編碼更多或更少的信使核糖核酸（mRNA），都能極大地改變生物體的特徵。

逐漸清晰的認知

先前的研究已發現人類與黑猩猩在基因表現上存在差異，且人類細胞的基因表現往往更高，但相關情況仍不夠清晰明確。

大腦由多種細胞構成。

傳統上，科學家將腦細胞分為兩大類：神經元和神經膠質細胞。

神經元負責傳遞電化學訊號，有點類似於建築物中的銅線。

神經膠質細胞則承擔了大部分其他功能，比如為『線路』提供絕緣保護、支援大腦結構以及清除廢棄物等。

直到最近，科學家只能研究由多種不同型別細胞組成的組織樣本。但在過去十年裡，已經能夠逐個分析細胞核。

這使研究人員能夠區分不同的細胞型別，甚至常常能分辨出細胞亞型。

李秀珍教授及其共同作者使用了一種由具有非常狹窄通道的裝置生成的資料集，將每個細胞核分離到陣列中的各自腔室裡。

然後，他們在進行統計分析之前，先按細胞型別對細胞進行分組。

他們透過觀察特定基因在人類、黑猩猩和獼猴體內產生的信使核糖核酸數量，來測量基因表現。

與其他物種相比，上調基因在特定物種中會產生更多的信使核糖核酸，而下調基因產生的則較少。

將黑猩猩和人類與獼猴進行比較，使研究人員能夠判斷這兩種猿類之間的差異，是由於黑猩猩的變化、人類的變化，還是兩者皆有。

研究團隊記錄了研究中約25000個基因裡5 - 10%的基因表現差異。

總體而言，與黑猩猩相比，人類細胞中有更多上調基因。

這一比例遠高於研究人員在無法按細胞型別進行分析時所發現的比例。當研究團隊開始考慮細胞亞型時，這一比例增至12 - 15%。

李秀珍教授表示：『現在我們可以看到，每種細胞型別都有自己的演化路徑，變得高度專業化。』

並非只有神經元

人類神經通路的複雜程度在動物界無與倫比。然而，研究人員懷疑，人類獨特的智力並非僅僅源於此。

人類神經膠質細胞在大腦細胞中所佔比例超過一半，這一比例甚至高於黑猩猩。

在神經膠質細胞中，少突膠質細胞的基因表現差異最為顯著。這些細胞形成包裹神經元的絕緣層，使神經元的電訊號能夠更快速、高效地傳遞。

在去年發表的一項合作研究中，科學家觀察到，與黑猩猩相比，人類的少突膠質前體細胞與成熟少突膠質細胞的比例更高。

他們懷疑這可能與人類大腦驚人的神經可塑性和緩慢的發育過程有關。

李秀珍教授說：『我們神經網路複雜性的增加，可能並非獨自演化而來。』

『除非所有其他細胞型別也一同演化，並促進神經元多樣性的擴充套件、神經元數量的增加以及神經網路複雜性的提升，否則這一切都不可能實現。』

相關研究成果發表於《美國國家科學院院刊》。

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丹尼斯·喬希（Dennis Joshy）等人，2024年。人類大腦細胞型別特異性調控加速演化。《美國國家科學院院刊》121卷（52期）：e2411918121；doi: 10.1073/pnas.2411918121

本文改編自加州大學聖塔芭芭拉分校的原始新聞稿。