神秘“突變基因”可能揭曉現代人類倖存謎題
2021年03月03日09:37

  3月3日消息,我們人類如何變成現今這個模樣,是科學家長期以來一直試圖揭曉的謎團,現代人類是如何進化形成如此高等級的認知能力,從而產生複雜語言、詩歌和火箭技術的呢?我們的大腦在哪些方面不同於近親物種?例如:尼安德特人和丹尼索瓦人。

  通過將這些滅絕物種的古老基因重新引入人類的“迷你大腦”——在實驗室培育幹細胞簇,將人類幹細胞組織成微型人腦,科學家開始發現新的線索。

  我們對人類進化的大部分認知來自於古代化石和骨骼的研究,我們知道尼安德特人和丹尼索瓦人在大約50-60萬年前與人類進化“分道揚鑣”,最後的尼安德特人直到大約4萬年前才從歐洲大陸徹底消失。

  現代人類攜帶“突變基因”

  同時,研究還表明,人類和尼安德特人發生了雜交,尼安德特人比之前認為的要複雜得多。通過研究頭骨化石的大小和形狀,我們還知道,古人類大腦與現代人類頭骨大小相近,這意味著古人類大腦比現代人類大腦更大,而且形狀也有不同,然而,儘管這些變化可能與不同的認知能力相關,但化石記錄不能單獨解釋該形狀如何影響大腦功能。幸運的是,最近的技術進步提供了一條新途徑來理解我們與滅絕近親物種之間的區別。

  通過對古代人類DNA測序,科學家可以將尼安德特人和丹尼索瓦人的基因與現代人的基因進行比較,這將有助於識別差異和相似性,揭曉我們與尼安德特人和丹尼索瓦人的大部分DNA是相同的。

  然而,在特定地區生活的現代人類,僅他們攜帶了“突變基因 (與尼安德特人和丹尼索瓦人相比)”,這些特殊DNA可能是區分我們與滅絕近親物種的特徵之一,通過分析這突變基因的原理機製,我們就可以瞭解現代人類所獨有的特徵及變化。

  分析比較遠古和現代人類DNA序列的研究已確定了對大腦功能、行為和發育至關重要的基因差異,特別是涉及細胞分裂和突觸(在細胞之間傳遞神經電脈衝)的基因,這表明人類大腦的成熟要比尼安德特人更慢。

  具體來講,嬰兒眼窩前額葉皮層的發育,被認為與決策等高級認知能力有關,自從現代人類與尼安德特人進化分離以來,可能發生了顯著且微妙的變化,現代人類達到性成熟的年齡比祖先物種更晚,這將有助於解釋為什麼我們壽命更長。

  成長中的大腦

  長期以來,人們一直不清楚哪一種進化突變是最重要的,近期,美國加州大學聖地亞哥分校艾利森·莫特里帶領一支科學家小組在《科學》雜誌上發表一項研究報告,揭示了這個謎團。

  他們進行了一項試驗,用人體皮膚幹細胞培育微型大腦——科學上稱為“類器官”,大腦類器官並不像真實大腦一樣有意識,它們結構非常簡單,由於缺乏血液供應,它們的長度不會超過5-6毫米,但它們可以釋放腦電波,並形成相對複雜的光神經網絡。

  研究小組使用曾獲諾貝爾獎的CRISPR-Cas9技術(即“基因剪刀技術”),將一種與大腦發育有關、現已滅絕消失的基因插入類器官中,該技術可以精確編輯和操縱基因。

  我們知道該基因的“老版本”曾存在於尼安德特人和丹尼索瓦人身體中,而現代人類攜帶著該基因的“突變版本”。試驗中的基因改良類器官表現出幾個不同之處,它的擴張速度比人體類器官慢,並且改變了神經元之間連接結構,與光滑、球狀現代人體類器官相比,它們更小,表面粗糙複雜。

  促使基因突變的一個因素?

  該項研究識別發現現代人類和古人類之間存在差異的61種基因,其中就包括NOVA1基因,它在早期大腦發育過程中對調節其他基因的活動發揮著至關重要的作用,它也在突觸形成中具有重要意義。

  之前科學家發現NOVA1基因活性的改變會引起神經系統疾病,例如:小頭畸形(導致頭部變小)、癲癇、嚴重的發育遲緩和家族性自主神經功能障礙的遺傳疾病,這表明它對正常的人類大腦功能很重要。現代人類攜帶的“突變版本”基因僅改變了基因代碼中的一個生物化學字母,該變化導致基因產生NOVA1蛋白質,使該基因具有不同的成分,以及可能存在的活性差異。

  科學家在分析該類器官時,發現古代NOVA1基因改變了277個其他基因的活性,其中許多基因參與創建腦細胞之間的突觸和連接,因此,迷你大腦的細胞網絡結構與現代人類存在差異。

  這意味著NOVA1基因的突變導致了人類大腦的基本變化,DNA密碼中的一個生物化學字母的改變可能會使現代人類大腦功能提升到一個新水平,但我們不知道該過程究竟發生了什麼?

  研究小組表示,他們將繼續深入研究其他60個基因的細節,觀察當研究人員改變每個基因或幾個基因的組合時會發生什麼?

  毫無疑問,這是一個非常有趣的研究領域,類器官能為分析遠古物種的大腦提供重要線索,但我們的研究工作才剛剛開始,對單個基因的操控並不能捕獲真正的尼安德特人和丹尼索瓦人的基因,但它仍然能幫助科學家理解人類某些特定基因的運行機製。(葉傾城)

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