人类用基因编辑技术在实验室中创建尼安德特人式“迷你大脑”

尼安德特人模拟图

左为人类头骨,右为尼安德特人头骨

最新的研究通过基因编辑技术,重建了尼安德特人式的“迷你大脑”,为解答这一问题提供了新的视角:量上没差别,但是质上的差别很大,大到外观上都有区别。

科学家已经创造出一个微小的大脑“类器官”,其包含已灭绝的人类近亲尼安德特人和丹尼索瓦人的基因变异。虽然,通过人体干细胞工程制造的大脑类器官远不能真正代表尼安德特人大脑,但其与人类大脑类器官的大小、形状和质地却有着明显的差异。这项发现刊发于2月的《科学》杂志上。该研究可以帮助科学家了解人脑进化的遗传路径。

瑞士巴塞尔大学的发育生物学家格雷·坎普(Gray Camp)说,这是一篇提出了非凡主张的非凡论文,”他的实验室去年报告说,其构建的大脑类器官中所包含的尼安德特人和人类共有的基因。之前关于人类大脑进化的最新研究是通过研究人类在进化中丢失了哪些基因。但是坎普对于这些结果持怀疑态度,而他们的工作则提出了更多需要调查的问题。

人类与尼安德特人和丹尼索瓦人的关系比与任何灵长类动物都更紧密。尼安德特人的基因组中约有40%现在仍然可以在人类身上发现。但是研究尼安德特人大脑的手段非常有限,因为大脑这类的软组织很难经历岁月的考验保存完好,而且大多数研究都依赖于检查化石头骨的大小和形状。在这种情况下,了解尼安德特人的与人类的基因差异就非常重要,因为它可以帮助研究人员了解人类的独特之处,尤其是人类大脑的。

由加利福尼亚大学圣地亚哥分校的神经科学家Alysson Muotri领导的研究人员使用基因编辑技术CRISPR–Cas9将尼诺德特人和丹尼索瓦人的NOVA1基因引入人类多能干细胞中,并对其进行培养,以形成类器官。最终,科学家获得了一块宽达5毫米的大脑类器官,并与正常的人脑类器官进行比较。

与人类大脑类器官(上图)相比,含有古老基因的尼安德特人式的大脑类器官(下图)更小且更粗糙。

Muotri说,人脑类器官通常是光滑的球形,而尼安德特人的大拿类器官则是粗糙的,表面复杂,而且比较小。研究者表示,这可能是由于脑细胞生长和繁殖方式不同。

为了确定这个大脑类器官到底表达了哪个古老基因,研究人员比较了一个人类基因组序列库和两个尼安德特人、一个丹尼索瓦人的近乎完整的基因组。他们发现了61个基因与其人类版本始终不同。其中,NOVA1参与形成大脑突触或神经的连接,并在其活性发生改变时与神经系统疾病相关。

人类NOVA1基因不同于前述古老基因(这些古老基因仍然存在于其他活的灵长类动物中),是一个单一碱基。Muotri说,几乎所有的现代人在都拥有NOVA1基因的现代版本,而不是尼安德特人或丹尼索瓦人旧版本的NOVA1基因。这一事实表明,人类版的NOVA1基因在进化过程中的某些时候为我们提供了巨大的优势。因此,最新的问题是,这些优势是什么?

尼安德特人式大脑类器官与人类大脑类器官的差异在分子水平上也持续体现着。研究小组发现了277个活性不同的基因。已知其中一些基因会影响神经元发育和连通性。结果显示,尼安德特人式大脑类器官含有不同水平的突触蛋白,其神经元的连接比人类大脑类器官的要少。同时,有证据表明尼安德特人式大脑类器官成熟更快,也就是说,大脑神经元发育时间更短。

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