人类大脑演化的细胞和分子创新机制:跨物种单细胞分析揭示神经前体细胞的特异性
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大脑是人类智力和认知能力的核心,其容量的显著扩展在物种演化中发挥了至关重要的作用。人类大脑的演化不仅体现在其巨大的脑容量上,还包括独特的大脑发育模式和细胞类型的演化。近年来,科学家们开始通过多种技术手段探索人类大脑演化的分子和细胞基础,但现有研究大多依赖于类脑器官模型,局限性较大。为了填补这一研究空白,2024年10月30日,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合作,在《Developmental Cell》期刊上发表了题为《Comparative single-cell multiome identifies evolutionary changes in neural progenitor cells during primate brain development》的研究成果。该研究通过单细胞多组学技术对不同物种胚胎期大脑皮层神经发育的跨物种分析,揭示了人类大脑演化中的独特细胞特征和分子机制。
灵长类与啮齿类物种大脑发育的比较
研究团队通过对人类、猕猴和小鼠前额叶皮层的单细胞多组学分析,发现大脑皮层细胞类型的组成在不同物种之间总体上是保守的。然而,灵长类物种,尤其是猕猴,在胚胎发育中期拥有比小鼠更丰富的胶质前体细胞(如少突胶质前体细胞OPC和星形胶质细胞astrocyte)。这一发现表明,灵长类物种的胶质细胞发生过程比啮齿类物种提前,这种进化差异可能对大脑发育的模式和进程产生了深远影响。小鼠的胶质细胞直到接近出生时(E18期)才会出现,这与灵长类物种的胶质细胞早期分化形成鲜明对比。这种早期胶质细胞的出现可能有助于灵长类物种在大脑发育过程中更好地支持神经元的生长和功能。
神经前体细胞的转录组差异与分子调控
进一步的跨物种比较分析聚焦于神经前体细胞(如放射胶质细胞,Radial glia)的转录组特征。研究发现,尽管在不同物种之间神经前体细胞的基本类型相似,但人类神经前体细胞在生长因子和细胞外基质(ECM)相关通路的转录调控上表现出显著差异。尤其是人类神经前体细胞中,ITGA2基因的高表达引起了科学家的关注。ITGA2基因编码的蛋白质是介导细胞与细胞外基质之间连接的跨膜蛋白,它不仅帮助细胞与ECM结合,还将机械应力和化学信号传导到细胞内部。为了验证这些发现,研究者将人类ITGA2基因过表达于小鼠胚胎大脑中,结果发现,过表达ITGA2可以促进小鼠神经前体细胞的增殖,并增加皮层上层神经元的比例。这一结果表明,人类大脑在神经前体细胞增殖和神经元分化过程中,ECM相关基因的转录调控发挥了重要作用。
精神疾病的遗传基础与神经前体细胞的转录调控
除了细胞层面的发现,研究团队还通过单细胞染色质开放性数据和跨物种基因组序列比较,揭示了人类神经前体细胞特异的转录调控的遗传基础。进一步分析发现,人类精神疾病(如自闭症、精神分裂症等)的风险位点在人类神经前体细胞中特异性染色质开放区域中显著富集。这一发现为理解一些精神疾病的致病机制提供了新的视角,提示这些疾病可能与大脑神经发生阶段的异常有关,且具有明显的人类特异性遗传基础。
对疾病治疗的潜在启示
该研究不仅拓展了我们对人类大脑发育演化的理解,还为精神疾病的研究提供了重要的分子和遗传学线索。研究表明,精神疾病的某些风险位点可能是在大脑神经发生阶段就已经埋下了病因,尤其是在神经前体细胞发育过程中。这一发现为精神疾病的早期干预和治疗提供了新的思路,尤其是基于神经前体细胞及其发育机制的治疗策略。
研究的贡献与前景
总体来说,这项研究揭示了人类大脑发育中的演化创新机制,并为理解人类大脑的独特发育模式、脑疾病的遗传基础和精神疾病的致病机制提供了新的视角。通过跨物种比较,研究者揭示了人类神经前体细胞特异性的基因调控,尤其是与细胞外基质相关的通路,如何影响神经前体细胞的增殖和皮层神经元的分化。这些发现不仅为我们理解人类大脑发育的独特性提供了理论依据,也为今后的疾病治疗提供了潜在的新方向。
此外,该研究还为未来在灵长类动物中的类似研究提供了示范作用。灵长类动物(如猕猴)作为人类的近亲,是研究人类大脑发育机制和神经疾病的理想模型,未来这些模型将在科学研究和临床治疗中发挥更加重要的作用。通过进一步揭示大脑发育的演化创新和神经疾病的分子机制,未来的治疗方法或许能够更加精确地应对各种复杂的脑部疾病。
2024-12-04
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