觀察基因調控方式的適應性變化

人類和黑猩猩的蛋白質基因編碼序列非常相似甚至只有1%的差異,所以我們能成為人類的生物學特徵一直以來是一項非常爭議的研究。瑞士生物學研究所(SIB Swiss Institute of Bioinformatics)和洛桑大學(University of Lausanne)的研究人員開發了一種技術,首次對人類大腦中基因調控方式的適應性變化進行精確的定位,研究結果為人類進化、發育生物學和神經科學的研究開闢了新的視角,該論文隨後發表在《科學進展》雜誌上。

基因調控是人類與猩猩區別開來的關鍵

我們已知黑猩猩(Pan troglodytes)與人類基因的那1%的差異才是真正使彼此在演化歷程上的分家,進而讓人類發展出更高階的智能,研究人員一直假設讓人類與猩猩區別開來的不是DNA序列,而是基因調控(基因表達的時間、位置、強度)發揮更關鍵的作用。發表於《Science》的研究論文指出:「儘管大腦皮質的發育在物種之間有一定的演化保守度,我們仍觀察到一些基因調控元件的改變,使得皮質生成(corticogenesis)有更多的細胞參與,進而改變神經元之間的交互作用,也許這正是人類生成更複雜的大腦皮質的關鍵。」

大腦基因正性選擇區域

瑞士生物學研究所和洛桑大學(University of Lausanne)的研究人員開發了一種新方法,使他們能夠識別大腦中大量的基因調控區域,這些區域在人類進化過程中被選中。該研究的主要作者劉家林解釋說:「與人體的胃跟心臟相比,人類大腦經歷了特別高水平的正性選擇。」這是令人興奮的,因為我們現在有了一種方法來識別對我們認知能力進化有貢獻的基因組區域。

為了得出結論,這兩位研究人員將機器學習模型與實驗數據結合起來,研究不同組織中參與基因調控的蛋白質與它們的調控序列的結合程度,最後在人類、黑猩猩和大猩猩之間進行了比較,最後該研究結果支持長期以來提出的人類大腦進化中適應性調控變化的重要性,檢測到正性選擇比例高的大腦相關細胞類型在功能上與認知能力呈現正相關。

研究人員首先分別在小鼠、果蠅和人類三個物種中,利用新開發方法,在眾所周知的轉錄因子(如CEBPA和CTCF)中進行應用。研究結果證實:正性選擇的證據與較高的經驗結合親和力、較高的序列取代-多態性比率和較低的鄰近基因表達相關。「我們現在知道了控制人類大腦基因正性選擇的是哪些區域,若我們對它們控制的基因瞭解得越多,人類大腦認知和進化的理解就會越完整。」

圖片來源:163.com

資料來源:Materials provided by Swiss Institute of BioinformaticsNote: Content may be edited for style and length.
Jialin Liu, Marc Robinson-Rechavi. Robust inference of positive selection on regulatory sequences in the human brainScience Advances, 2020; 6 (48): eabc9863 DOI: 10.1126/sciadv.abc9863.

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