耶鲁医学院的一项新研究指出，在人类进化过程中，数以千计的遗传“调光器”开关——即称为调控元件的DNA区域——在发育中的大脑皮层内被调至高活性。
与猕猴和小鼠不同，这些开关在人类中活性增强，可能会驱动大脑皮层内基因的表达。大脑皮层是参与意识思维和语言的脑区。这种差异或可解释，为何与其他哺乳动物相比，人类这一脑区的结构和功能如此独特。
这项研究由James P. Noonan、Steven K. Reilly和Jun Yin牵头，于3月6日发表于《科学》杂志。
除了编制一份丰富而详尽的人类特有基因调控变化目录外，Noonan及其同事还确定了若干可能受这些调控元件引导的生物过程，而这些过程对人类大脑发育至关重要。
“更复杂的大脑皮层可能涉及几个方面：产生更多细胞、改变皮层各区域的功能，以及改变神经元彼此之间建立的连接。我们在人类中发现的调控变化与这些过程有关，”该研究资深作者、遗传学副教授、卡夫利神经科学研究所研究员Noonan说。“这可能涉及细胞增殖、皮层模式形成以及其他发育过程的进化性改变；这些过程通常在许多物种间高度保守。”
科学家已经善于比较不同物种的基因组，以识别导致这些差异的DNA序列变化。但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之外，基因调控方式的变化也正是使人类生物学与众不同的原因。
然而，迄今为止，测量这些变化并弄清其影响一直极具挑战性，尤其是在发育中的大脑里。耶鲁研究人员利用新的实验和计算工具，直接在人类大脑皮层中识别活跃的调控元件——即在特定时间、特定细胞类型中开启或关闭基因的DNA序列——并研究其生物学效应。
首先，Noonan及其同事通过搜寻特定的生化修饰（即“表观遗传”修饰），绘制了大脑皮层发育最初12周内人类基因组中活跃调控元件的图谱。他们也对发育中的猕猴和小鼠大脑进行了同样的分析，随后比较这三张图谱，以找出在发育中的人脑内活性更高的元件。他们发现了数千个在人类中活性增强的调控元件。
接下来，他们希望了解这些调控变化的生物学影响。研究团队转向BrainSpan——一个免费开放的数字图谱，记录了人类整个生命周期中的脑内基因表达情况。（BrainSpan由耶鲁大学卡夫利研究所成员Nenad Sestan牵头，Noonan和本研究合著者Pasko Rakic也参与其中。）他们利用这些数据找出在大脑皮层中呈协同表达的基因组。随后，他们将发现的调控变化与这些基因组进行比对，并确定了若干与人类中数量惊人的调控变化相关的生物过程。
“我们常常把人脑视为一种高度创新的结构；然而，令人惊讶的是，许多此类调控元件似乎参与了古老的过程，而这些过程对所有哺乳动物形成大脑皮层都很重要，”第一作者Steven Reilly说。“不过，这往往正是进化的特点：对现有工具进行调整，以产生新的特征和功能。”
接下来，Noonan及其同事计划将他们发现的部分调控变化导入小鼠基因组，并研究其对小鼠大脑发育的影响，以此探究这些变化的功能。
这项研究获得美国国立卫生研究院（GM094780、DA023999、NS014841、GM106628）和一项美国国家科学基金会研究生研究奖学金的资助。研究与耶鲁大学卡夫利研究所所长、世界领先的人类大脑皮层发育专家之一Pasko Rakic合作开展。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。
本文由以下机构合作发布： 《耶鲁新闻》。 文章的发布并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Lindsay Borthwick是一名自由记者，专长领域为科学、健康和环境。
图片：伦敦Wellcome Collection的一场展览中陈列着石膏颅相学头部模型，展示大脑的不同区域。REUTERS/Chris Helgren。
