揭示人类大脑发育的演化机制:新研究为精神疾病提供新视角
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人类大脑是智慧的基础,其演化历程反映了几百万年来人类独特的生存和适应能力。在这段漫长的演化过程中,人类的脑容量显著扩大,成为区别于其他物种的重要特征之一。从演化发育生物学的角度看,物种间的演化差异在器官发育过程中得以体现。因此,理解人类大脑的发育模式和细胞组成,对于揭示其独特性至关重要。
在这个领域,近期由中国科学院昆明动物研究所宿兵团队与北京大学李程团队共同发表的研究,提供了新的见解。该研究于2024年10月30日发表在《Developmental Cell》上,题为“Comparative single-cell multiome identifies evolutionary changes in neural progenitor cells during primate brain development”,聚焦于灵长类动物大脑发育的细胞和分子机制。
研究背景与目标
人类大脑的演化与发育机制尚未完全明确,尤其是在神经前体细胞的独特性和分化命运方面。尽管已有的研究通过比较人类与黑猩猩的脑器官揭示了一些遗传机制,但现有的类器官技术仍无法全面模拟大脑的复杂发育过程。因此,猕猴作为与人类亲缘关系较近的动物模型,为研究人类大脑的起源与发育提供了理想的对象。
主要发现
研究团队对人类、猕猴和小鼠的前额叶皮层在神经发育高峰期进行了单细胞多组学的跨物种整合分析。结果表明,尽管大脑皮层的细胞类型在物种间总体保守,但灵长类动物的胚胎中期拥有更丰富的胶质前体细胞,这些细胞能够分化为少突胶质前体细胞和星形胶质细胞,而小鼠在接近出生时才出现这些细胞类型。这一发现表明,灵长类动物的胶质细胞发生时间早于啮齿类动物,这种进化差异可能影响了大脑的发育模式和进程。
研究还对人类神经前体细胞的转录组特征进行了深入分析,发现其在生长因子和细胞外基质(ECM)相关通路中表现出广泛的转录调控变化。例如,人类神经前体细胞中特异性高表达的ITGA2基因编码一种介导细胞与ECM之间连接的跨膜蛋白,能够传递ECM的化学成分和机械信号。通过在小鼠胎脑中过表达ITGA2基因,研究者发现其能够增加神经前体细胞的增殖以及皮层上层神经元的比例。这一结果表明,人类大脑特有的ECM相关基因转录调控在神经前体细胞的增殖中起着重要作用。
精神疾病的遗传基础
此外,研究者还利用单细胞染色质开放性数据和跨物种基因组序列比较数据,揭示了人类神经前体细胞特异的转录调控遗传基础及其与精神疾病的关联。通过将人类精神疾病(如自闭症和精神分裂症)的风险位点与人类特有的染色质开放区域进行关联分析,发现这些风险位点在人类神经前体细胞特异的染色质开放区域显著富集。这表明一些精神疾病的致病机制可能源于大脑神经发生阶段,并显示出这些疾病具有特有人类的遗传基础。
结论与未来展望
综上所述,该研究不仅揭示了人类大脑发育中的演化创新机制,还为理解人类大脑独特的发育模式和精神疾病风险提供了新的视角。这些发现为未来的疾病治疗提供了新的思路,特别是在精准医学领域。研究团队的成果有助于深入探讨人类神经前体细胞的独特性,并为精神疾病的预防和治疗提供了新的可能性。
本研究的共同第一作者包括北京大学的刘玉婷和孙逸鸣,以及中国科学院昆明动物研究所的陈凯敏和胡庭。研究由宿兵、罗鑫和李程等共同通讯指导,充分展现了跨学科合作在科学研究中的重要性。随着对人类大脑演化与发育机制理解的加深,这一领域的未来研究将可能带来更多突破,促进人类健康科学的发展。
2024-12-04
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