耶鲁地图绘制人类大脑的进化变化

耶鲁大学的一项新研究揭示了人类特定基因调控变化的详细目录，并指出了可能由这些对人类大脑发育至关重要的调控元件指导的若干生物学过程。

根据耶鲁大学医学院的一项新研究，在人类大脑皮层发育过程中，成千上万的遗传“调光”开关（DNA区域称为调节元件）被高调了。

与恒河猴和小鼠不同，这些开关在人类中显示出增强的活性，它们可以驱动基因在大脑皮层（涉及意识思维和语言的大脑区域）中表达。这种差异可以解释为什么与其他哺乳动物相比，人类大脑的这一部分的结构和功能如此独特。

由James P. Noonan，Steven K. Reilly和Jun Yin领导的这项研究于3月6日发表在《科学》杂志上。

除了创建丰富而详细的基因调控人类特异性变化目录外，Noonan及其同事还指出了可能由这些对人类大脑发育至关重要的调控元件指导的几种生物学过程。

“建立一个更复杂的皮质可能涉及几件事：制造更多的细胞，改变皮质区域的功能，以及改变神经元彼此之间的联系。遗传学副教授，卡夫里神经科学研究所研究员，该研究的高级作者努南说：“我们在人类中发现的调节变化与这些过程有关。”“这可能涉及对细胞增殖，皮质模式和其他发育过程的进化修饰，这些变异通常在许多物种中都得到很好的保存。”

科学家已经熟练地比较了不同物种的基因组，以识别构成这些差异基础的DNA序列变化。但是许多人类基因与其他灵长类动物的基因非常相似，这表明除了基因本身的变化以外，基因调控方式的变化是使人类生物学与众不同的原因。

然而，到目前为止，测量这些变化并指出其影响一直是非常具有挑战性的，尤其是在大脑发育过程中。耶鲁大学的研究人员利用新的​​实验和计算工具来直接在人类皮层中鉴定活性调节元件-那些在特定时间和特定细胞类型中打开或关闭基因的DNA序列，并研究其生物学效应。

首先，Noonan及其同事通过搜索特定的生化或“表观遗传”修饰，在皮层发育的前12周内绘制了人类基因组中的活跃调控元件。他们在恒河猴和小鼠的大脑发育中做同样的事情，然后比较了这三个图谱，以确定那些在人类大脑发育中表现出更大活性的元素。他们发现了数千个调节元素，这些元素显示了人类活动的增强。

接下来，他们想知道这些法规变更的生物学影响。研究小组转向了BrainSpan，这是人类整个生命周期中大脑中基因表达的免费数字地图集。（BrainSpan由耶鲁大学的Kavli学会成员Nenad Sestan领导，Noonan和这项研究的合著者Pasko Rakic进行了贡献。）他们使用这些数据来识别在大脑皮层中协调表达的基因组。然后，他们叠加了他们在这些基因组中发现的调控变化，并确定了与人类异常高的调控变化相关的几种生物学过程。

第一作者史蒂芬·赖利（Steven Reilly）说：“尽管我们经常将人脑视为高度创新的结构，但令人惊讶的是，如此众多的调节元素似乎在古代过程中起着重要作用，而古代过程对于在所有哺乳动物中构建皮质都很重要。“但是，这通常是演变的标志，需要修补可用于产生新特征和功能的工具。”

接下来，Noonan及其同事计划通过将它们引入小鼠基因组并研究其对小鼠大脑发育的影响，来研究他们发现的某些调节变化的功能。

该研究由美国国立卫生研究院（GM094780，DA023999，NS014841，GM106628）和NSF研究生研究奖学金资助。该研究是与耶鲁大学卡夫利研究所所长Pasko Rakic和人类皮层发展的世界领先专家之一合作进行的。其他作者包括Noonan实验室的Deena Emera，Jing Leng，Justin Cotney和Richard Sarro，以及Rakic实验室的Albert E. Ayoub。

出版物：Steven K. Reilly等人，“人类皮质发生过程中启动子和增强子活性的进化变化”，《科学》，2015年3月6日：卷347号6226 pp.1155-1159； DOI：10.1126 / science.1260943

图像：迈克尔·S·赫尔芬贝因