耶魯科學家破解構建人類大腦的DNA密碼

是什麼讓人類大腦如此獨特？耶魯大學的一項研究為塑造人類進化的基因變化提供了全新見解。

科學家們探索了人類加速區域（HARs），這些基因調控因子並非引入新基因，而是微調現有基因。他們運用尖端技術，繪製出幾乎所有HARs的相互作用圖譜，揭示了它們在大腦發育以及自閉症和精神分裂症等神經系統疾病中的作用。

這項於1月30日發表在《細胞》雜誌上的耶魯大學新研究，讓我們更深入地瞭解了塑造人類大腦進化的基因變化，以及這一過程與黑猩猩的不同之處。該研究聚焦於人類加速區域（HARs）——這是一類特殊的基因開關，它們控制著某些基因在進化過程中的啟動時間、位置和強度。

先前的研究認為，與我們最親近的靈長類親戚黑猩猩相比，HARs在人類體內可能調控著截然不同的基因。然而，新的研究結果顯示，HARs實際上是在微調人類和黑猩猩這兩個物種已經共享的基因活性，影響著神經元的形成、發育和溝通方式。

研究人員運用先進技術，還能夠追蹤HARs與基因以及人類神經幹細胞的相互作用，這使他們能夠確定幾乎所有HARs的基因靶點——這是人類進化研究的一項重大進展。

該研究的負責人、耶魯大學醫學院遺傳學教授詹姆斯·努南表示，這一發現讓我們對進化過程中產生的基因變化如何塑造人類有了更深入的理解，並顯著增進了我們對HARs所控制基因的認識。努南指出，研究結果顯示，HARs在這兩個物種中主要調控相同的基因，尤其是那些與大腦發育相關的基因。然而，HARs在人類體內以不同的方式調節基因表達水平，這表明大腦功能的進化變化並非透過重新創造基因途徑，而是透過改變其輸出而產生的。

努南的實驗室專注於研究HARs如何促進人類獨特大腦特徵的進化。在先前的研究中，團隊已經證明，與我們最親近的靈長類親戚相比，一些HARs以人類特有的方式改變基因表達。研究人員表示，這項最新研究極大地拓展了我們對HARs可能推動的生物學變化的理解。雖然人類基因組中HARs的數量已經確定，但此前我們對它們所控制的基因知之甚少；先前的研究僅確定了大約7%至21%的HARs的基因靶點。

努南認為，這可能是因為先前的研究使用的方法不夠精確。而且由於資料的性質，研究人員此前只能估計一小部分HARs基因靶點的身份，其中一些可能根本就不是靶點。

在這項新研究中，耶魯大學的團隊運用先進技術對基因組進行三維繪圖，以追蹤HARs在人類和黑猩猩神經幹細胞中與基因的相互作用。這使他們能夠確定近90%的HARs的基因靶點。

該研究的第一作者、耶魯大學遺傳學研究生阿特雷約·帕爾表示，現在有了更完整的圖譜，為科學家們開闢了一個全新的研究領域。許多HARs基因靶點在人類大腦發育過程中具有活性，並與神經元的形成以及神經元之間的溝通維持等過程相關。有些還與自閉症和精神分裂症等疾病有關，這凸顯了HARs在塑造正常大腦功能以及神經系統疾病方面的潛在作用。

帕爾總結道，他們的研究結果還顯示，HARs基因靶點在人類大腦發育過程中的特定細胞型別中表達，包括那些可能促使我們大腦體積增大的細胞型別。努南補充說：『以前，我們不知道HARs所控制的許多基因是什麼，也不知道它們的生物學功能是什麼。我們沒有完整的圖景。現在，這為我們理解HARs如何促進大腦進化開闢了許多新途徑。』

參考文獻：《解析人類和黑猩猩神經發育過程中人類加速區域的三維相互作用組》，作者阿特雷約·帕爾、馬克·A·諾布林、馬泰奧·莫拉萊斯、裡奇克·帕爾、瑪麗貝絲·鮑姆加特納、趙元（Je Won Yang）、克里斯蒂娜·M·伊姆、塞韋林·烏賓和詹姆斯·P·努南，2025年1月30日，《細胞》雜誌。DOI：10.1016/j.cell.2025.01.007