尼安德特人大脑的类器官显示了一个单一的基因改变是如何将现代人与祖先区分开来的

大脑瀑样

尼安德特人大脑的类器官(左)看起来与现代人类大脑的类器官(右)非常不同——它们有明显不同的形状,它们的细胞增殖方式和突触的形成方式也不同。资料来源:加州大学圣地亚哥健康科学学院

新型研究使用脑有机体遗传修饰以模仿现在灭绝的尼安德特人。

Alysson R. Muotri博士是加州大学圣地亚哥分校医学院的儿科和细胞分子医学教授,长期以来一直在研究大脑是如何发育的,以及神经系统疾病的病因。几乎与此同时,他也对人类大脑的进化很感兴趣——是什么改变了我们,使我们与先前的尼安德特人和丹尼索瓦人如此不同,他们是我们进化上的近亲,现在已经灭绝了?

进化研究很大程度上依赖于两种工具——遗传学和化石分析——来探索一个物种是如何随着时间而变化的。但Muotri说,这两种方法都不能揭示太多关于大脑发育和功能的信息,因为大脑不会变成化石。没有需要研究的物理记录。

因此Muotri决定尝试干细胞,一种不常用于进化重建的工具。干细胞是其他类型细胞的自我更新前体,可以用来在实验室培养皿中构建大脑类器官——“迷你大脑”。Muotri和同事率先使用干细胞将人类与其他灵长类动物(如黑猩猩和倭黑猩猩)进行比较,但直到现在,人们还不认为将人类与灭绝物种进行比较是可能的。

Alysson Muotri,UCSD

Alysson R. Muotri博士是加州大学圣地亚哥分校医学院的教授。资料来源:加州大学圣地亚哥健康科学学院

在2021年2月11日发表的一项研究中科学Muotri的团队将不同现代人类与生活在更新世(约260万至11700年前)的尼安德特人和丹尼索瓦人的基因组进行了分类。研究人员模仿他们在一个基因上发现的改变,使用干细胞来设计“尼安德特化”的大脑器官。

“看到人类中一对碱基对的改变是很有趣的DNAMuotri是这项研究的资深作者,也是加州大学圣地亚哥分校干细胞项目的主任,同时也是桑福德再生医学联盟的成员。“我们不知道在我们的进化史上,这种变化是如何以及何时发生的。但这似乎意义重大,可以帮助解释我们在社会行为、语言、适应、创造力和使用技术方面的一些现代能力。”

该团队最初发现了现代人类和灭绝亲属之间不同的61个基因。其中一个改变的基因 -Nova1.- 抓住了Muotri的注意,因为它是一种母体基因调节因子,在早期大脑发育中影响了许多其他基因。研究人员用尼安德特的突变使用CrispR基因对工程师的现代人干细胞进行编辑Nova1.。然后,他们诱导干细胞形成脑细胞,最终使大脑类器官尼安德特人化。

大脑类器官是由干细胞形成的脑细胞小簇,但它们并不完全是大脑(其一,它们缺乏与其他器官系统的连接,如血管)。然而,类有机物是研究遗传学、疾病发展、感染反应和治疗药物的有用模型。Muotri的团队取得了平局优化大脑的器官构建过程实现类似于人类脑产生的有组织的电振荡波。

尼安德特人化的大脑类器官看起来与现代人类的大脑类器官非常不同,甚至从肉眼来看也是如此。它们的形状截然不同。深入观察后,研究小组发现,现代和尼安德特人化的大脑类器官在细胞增殖和突触(神经元之间的连接)形成的方式上也有所不同。甚至参与突触的蛋白质也不同。在早期阶段,电脉冲表现出更高的活动,但在尼安德特人化的大脑类器官中,网络并不同步。

根据Muotri的说法,尼安德特人化的大脑类器官的神经网络变化与新生的非人类灵长类动物比人类新生儿更快地获得新能力的方式相似。

“这项研究只关注了现代人类和我们已经灭绝的近亲之间的一个不同基因。接下来,我们想看看其他60个基因,看看当每一个基因,或者两个或两个以上基因的组合发生改变时会发生什么。”

“我们期待着这种新的干细胞生物学,神经科学和古因子的新组合。yabo124利用携带祖先遗传变异的脑器有机体,将现代人类的比较方法应用于其他灭绝的杂志,例如患有祖先遗传变异的脑硬质体是一个完全新的研究领域。“

为了继续这项工作,Muotri与加州大学圣地亚哥分校人类学教授、研究合著者Katerina Semendeferi合作,共同指导新的加州大学圣地亚哥考古中心(ArchC)。

Semendeferi说:“我们将把这项令人惊叹的干细胞研究工作与几个物种的解剖比较和神经系统状况结合起来,从而建立关于我们已经灭绝的近亲大脑功能的下游假说。”“这种神经archealization方法将补充我们了解祖先和近亲(如尼安德特人)思想的努力。”

参考:“重新引入古代变体Nova1.在皮质瀑样改变神经发育”Cleber特鲁希略,爱德华s大米,内森·k·Schaefer艾萨克·a·查姆艾米丽·c·惠勒Assael情歌,贾斯廷·布坎南Sebastian Preissl Allen Wang普里西拉·d·暗线,瑞安·a . Szeto罗伯托·h·Herai Alik Huseynov,马里亚纳s a . Ferraz费尔南多·s·博尔赫斯,亚历山大·h·Kihara给阿什利·伯恩,Maximillian马林,克里斯托弗•Vollmers安吉拉·n·布鲁克斯,乔纳森·d·Lautz怀中Semendeferi,贝思夏皮罗,基因w·杨,Stephen E. P. Smith, Richard E. Green和Alysson R. Muotri, 2021年2月12日,科学
DOI: 10.1126 / science.aax2537

该研究的共同作者包括:Cleber A.Trujillo,Isaac A. Chaim,Emily C. Wheeler,Assael A. Madrigal,Justin Buchanan,Sebastian Preissl,Allen Wang,Priscilla D. Negraes和Ryan Szeto,UC San Diego;爱德华S.米饭,Nathan K. Schaefer,Ashley Byrne,Maximillian Marin,Christopher Vollmers,Angela N. Brooks,Richard E. Green,UC Santa Cruz;Roberto H. Herai,Pontifícia1011UniversidadeCatólica做Paraná;alik huseynov,伦敦帝国理工学院;Mariana S.A. Ferraz, Fernando da S. Borges, Alexandre H. Kihara, Universidade Federal do ABC;Jonathan D. lauz, Stephen E.P. Smith,西雅图儿童研究所和华盛顿大学;贝丝·夏皮罗,加州大学圣克鲁斯分校和霍华德·休斯医学院;以及加州大学圣地亚哥分校、新加坡科学、技术和研究局和新加坡国立大学的Gene W. Yeo。

这项研究的资金部分来自Neanderthal Brain基金会,国家健康机构(授予U19MH1073671,K12GM068524,K01AA026911),大脑和行为研究基金会(Narsad独立调查员授予),国家科学基金会(授予1754451),戈登和Betty Moore Foundation (grant GBMF3804), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes, Brazil), FAPESP (São Paulo Research Foundation, grant 2017/26439-0), CNPq (Brazil’s National Council for Scientific and Technological Development, grants 431000/2016-6, 312047/2017-7) and Loulou Foundation.

披露:Alysson R. Muotri是TISMOO公司的联合创始人,并拥有该公司的股权,该公司致力于遗传分析和大脑器官建模,专注于为自闭症谱系障碍和其他遗传神经障碍定制的治疗应用。该安排的条款已由加州大学圣地亚哥分校根据其利益冲突政策审查和批准。

1评论在“Neanderthal脑器官展示单个基因改变可能与前辈的现代人类分开了”

  1. 我想,在尼安德特人和丹尼索瓦人被克隆之前,我们不可能知道真正的真相,然而,这毕竟引发了很多问题……

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