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曾经有一句名言：人与人之间的差别有时候大过人和大猩猩的区别。  （图片源自网络） 《猩球崛起》中的主角“凯撒”是一只实验黑猩猩，被喂养一种治疗阿尔兹海默症的病毒载体药物后智力得到大幅度提高，也因为他极高的智力，最后带领众多黑猩猩与人类发生了激烈冲突。  （图片源自网络） 那么人类和灵长类动物的大脑究竟有什么区别呢？大脑是一个神奇的器官。人与其他灵长类动物的最大区别就在于人类大脑的非凡能力（图1）[1]，以及人类大脑的尺寸是灵长类动物中最大的，大概是黑猩猩、猴子的三倍大[2]，并且神经元的数量也多得多。为什么只有人类能发育出这样高的智能呢？也是一个困扰科学家很久的问题。现在已经有许多关于这方面的研究，科学家们已经发现，我们人类和灵长类动物大脑的差别主要在宽度而不是厚度[3]，即皮层的厚度类似，大脑表面积有很大区别。也就是说，如果灵长类动物的大脑表面积可以人为的进一步扩大，那么达到人类的智力水平也不是不可能。  图1 灵长类大脑的尺寸比较 （来自参考文献[1]） 大脑的发育是从神经上皮细胞（neuroepithelial cells, NE）开始的，首先NE细胞对称分裂扩大干细胞池，随后在某些信号分子的作用下转化为放射状胶质细胞（radial glia cells, RG），RG细胞通过不对称分裂产生投射细胞（projection cell）沿RG细胞的轴突向上爬，最后形成皮层（图2）[4]。这里需要注意的是，NE对称分裂会扩大干细胞池从而影响皮层表面积，而RG的不对称分裂会形成更多的组细胞从而影响皮层厚度。那么如果尽可能多的扩大干细胞池，大脑的表面积是不是会变得更大呢？  图2 大脑皮层的发育 （来自参考文献[4]） 2021年4月15日，Madeline A. Lancaster的课题组发表了《An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain》这篇论文，他们使用人类、黑猩猩和大猩猩的大脑类器官作为研究对象，发现了ZEB2及其下游的SHROOM3能够推迟NE细胞向RG细胞转变的过程（图3），从而进一步扩大干细胞池的容量。  图3 （来自本文解读文章，详见原文链接） 他们首先优化了类器官诱导方法，尽可能统一诱导流程，使三个物种诱导到相同发育阶段的的大脑类器官有可比性，这也是我认为最困难的地方。在诱导过程中，研究人员发现发育早期（Day 3）三种类器官形态及细胞结构相似，Day 5和Day10的时候人类大脑类器官神经芽呈现拉长形态，大猩猩和黑猩猩则都是圆球状（图4）。3D成像、免疫荧光染色及定量分析显示，人类大脑类器官的腔室体积和面积比另外两个物种都大。   图4 人脑类器官神经芽的形态与大猩猩、黑猩猩的不同 （来自本文解读文章，详见原文链接） 科学家们尝试做出各种解释，最终聚焦于NE细胞形态不同这一点。他们用GFP稀疏病毒标记祖细胞形态，发现诱导3天时，人类和猩猩的NE细胞都是柱状形态；而在诱导5天时，猩猩的NE细胞变为两头细、中间宽的锥形，而人类NE细胞仍为柱状。使用高分辨率共聚焦成像对响应类器官进行成像后，结果显示人类NE细胞在第8天时才开始出现响应的形态变化，诱导10天时与猩猩们的NE细胞形态变化一致（研究人员把这种从NE细胞转变为RG细胞的变化状态称为tNE细胞）（图5）。   图5 人类和灵长类动物tNE细胞的形态变化在不同时间点存在差异 （来自本文解读文章，详见原文链接） 细胞形态与细胞周期息息相关，科研人员使用活体成像观测到，人类大脑NE细胞向上迁移速度较大猩猩和黑猩猩慢，且NE细胞分裂周期较短，从而在人类大脑发育早期NE细胞可以分裂更多，正如上面所说，干细胞池不断扩大，在后期发育过程中大脑体积及表面积不断增大，从而拥有更多的神经元。（详见图3） 为了进一步挖掘NE细胞形态变化背后的信息，研究人员挑选了不同时间点的三个物种的大脑类器官样本进行了大量的单细胞测序分析。他们发现，大部分情况下人类、大猩猩和黑猩猩在相同时间点的类器官基因表达相似，而在诱导第5、10和25天的时候基因表达出现差异（图6）（这也是后面科研人员重点关注的NE细胞向RG细胞转化的关键时间点）。进一步探究其差异表达基因，他们发现了SHROOM3基因（介导肌动蛋白使NE细胞顶端收缩）和一群与上皮间质化相关的基因（epithelial-mesenchymal transition, EMT：胚胎发育过程中上皮细胞转化成间质细胞的过程，而这过程皮层发育中NE细胞转化为神经元的特征类似）。  图6 人类、大猩猩和黑猩猩类器官基因表达的差异 （来自本文解读文章，详见原文链接） SHROOM3免疫染色仅出现在诱导第5天的猩猩NE细胞中，而在诱导10天时人类和猩猩的NE细胞中均出现染色信号（与前文观察实验结果一致）；在分析EMT相关基因的过程中，研究人员的目光一下子聚焦于ZEB2（主要调控EMT的上游因子），对猩猩大脑类器官进行mRNA表达分析时发现ZEB2的mRNA表达在诱导5天时达到峰值，而在人类大脑是诱导10天达峰值，与上文成像结果完全一致。与ZEB2达峰值相伴的还有CDH1（细胞粘附蛋白）和EpCAM下调以及Vimentin（RG细胞和EMT过程标记物）上调（图7）。通过免疫染色他们还发现，ZEB2只在tNE细胞中存在，完全转变的RG细胞内不存在。  图7 验证ZEB2基因的关键作用 （来自本文解读文章，详见原文链接） 为了证明ZEB2起到的关键作用，研究人员使用CRISPR技术敲掉一个ZEB2基因制作了一批ZEB2杂合子类器官（ZEB2纯合子无法存活），观察到ZEB2杂合子人类大脑类器官神经芽体积更大，但是推迟的NE细胞转化过程又导致神经元发育迟滞；同时又使用四环素诱导过表达系统进行ZEB2过表达，培养出来的大脑类器官神经芽体积变小，与ZEB2基因KD的结果相反（图8）。 图8 ZEB2基因表达的上调或下调，会导致神经芽体积的减小或增大 （来自本文解读文章，详见原文链接） 上文已经提到，第5、第10天是两个关键的时间点，也就是说ZEB2很可能是在这两个时间表达出现差异导致细胞形态的差异。于是最后研究人员使用上面的四环素诱导过表达系统使ZEB2提早表达，发现NE细胞的发育转化过程、SHROOM3的表达及大脑类器官的体积与猩猩的模式一致；与之相反，研究人员为了推迟猩猩大脑类器官中ZEB2的表达，使用BMP4激活SMAD信号（ZEB2也会通过抑制SMAD信号从而抑制EMT过程），从而能够诱导大猩猩大脑NE细胞形态与人类相似（图9）。 图9 已明确的tNE细胞转化过程中的通路 （来自本文解读文章，详见原文链接） 【总结】 单单一个ZEB2基因在不同时间点的表达，就能造成人类和猩猩大脑进化这么大的差别，虽然ZEB2的上游调控还不为人知，但是光是可以做到人类大脑“猩猩化”，猩猩大脑“人类化”，就已经是一件令人兴奋的事情了！！ 不过这仅仅是用类器官进行的模拟，物种大脑发育真的能只凭借一个基因的表达时间早晚就改变后续命运吗？凭借单细胞测序就可以完全区分猩猩和人类大脑了吗？就算真的能在细胞结构上把猩猩大脑“人类化”，那神经元的数量、突触的形成、大脑高级功能的获得，这些都能实现“人类化”吗？这些后续情况都无法得知。 目前只通过一个基因来实现大脑跨物种发育还很难，看来没这么容易变成“猩猩”大脑了，我松了一口气…… （图片源自网络） 【原文链接】 Silvia Benito-Kwiecinski, 1,6 Stefano L. Giandomenico, et al. An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain. Cell. 2021 Apr 15;184(8):2084-2102.e19. DOI: 10.1016/j.cell.2021.02.050. https://www./science/article/pii/S0092867421002397?via%3Dihub 【参考文献】 [1] Sousa, A.M.M., Meyer, K.A., Santpere, G., Gulden, F.O., and Sestan, N. (2017). Evolution of the Human Nervous System Function, Structure, and Development. Cell 170, 226–247. [2] Herculano-Houzel, S. (2012). The remarkable, yet not extraordinary, human brain as a scaled-up primate brain and its associated cost. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109 (Suppl 1), 10661–10668. [3] Donahue, C.J., Glasser, M.F., Preuss, T.M., Rilling, J.K., and Van Essen, D.C. (2018). Quantitative assessment of prefrontal cortex in humans relative to nonhuman primates. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, E5183–E5192. [4] Rakic, P. (2007). The radial edifice of cortical architecture: from neuronal silhouettes to genetic engineering. Brain Res. Brain Res. Rev. 55, 204–219. |
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