​Science | 灵长类前额叶皮质进化图谱

相比其它物种，包括亲缘关系非常近的灵长类，我们人类进化出了高级的认知和复杂的社会行为。毋庸置疑，人类大脑是这一切独特变化的中心，而其中的前额叶皮质又格外的引人注目。灵长类的前额叶皮质跟其他物种比起来，体积上更大，结构上也更复杂。其中，该脑区的背外侧区域（背外侧前额叶皮质）是一个灵长类特有的结构，它的存在也让灵长类的前额叶皮质和其它脑区搭建起了更为丰富的神经元连接，而这也是认知形成的关键基础。同时背外侧前额叶皮质的功能障碍也和多种精神疾病相关，比如自闭症、精神分裂症和癫痫。但是，关于灵长类的背外侧前额叶皮质的细胞类型构成，以及该脑区如何在灵长类中进化并产生人类特有的变化，目前都是未知的。

2022年8月25日，来自耶鲁大学医学院的Nenad Sestan团队，Stephen M. Strittmatter团队，以及威斯康辛大学麦迪逊分校的Andre M.M. Sousa团队合作在Science上发表了题为Molecular and cellular evolution of the primate dorsolateral prefrontal cortex的文章。通过单细胞核转录组分析成年人类（Human）、黑猩猩（Chimpanzee）、恒河猴（Macaque）以及狨猴（Marmoset）的背外侧前额叶皮质，该研究绘制了灵长类背外侧前额叶皮质的细胞类型图谱。并且，基于此图谱的物种间比较分析揭示了物种间细胞水平和分子水平差异，前者的代表性发现是物种特异的细胞亚型，而后者则是一个精神疾病易感基因FOXP2在皮质第四层的兴奋性神经元中存在灵长类特异性的表达，以及在小胶质细胞中存在人类特异性表达。

作者首先通过单细胞核转录组测序，分析了来自成年人类、黑猩猩、恒河猴以及狨猴的背外侧前额叶皮质的超过600,000细胞的转录组。这些物种代表了灵长类的几个关键的系统发育分支，包括人族（这里指人类和黑猩猩）、狭鼻小目（这里指人类、黑猩猩和恒河猴）和阔鼻小目（这里指狨猴）。这些分支存在有助于更清晰地了解灵长类的进化以及发现人类特有的机制。通过聚类分析、标记基因的表达以及和已发表数据的整合，作者构建了三个层次、相互关联的共计114个细胞类型的图谱。在此图谱基础之上，作者进行了详尽的细胞和分子水平的跨物种分析。

在细胞水平，作者研究了三种类型的进化方式。首先，进化学研究的一个非常关键的问题为是否存在物种特异的，包括人类特异的细胞类型。该研究中，作者发现定义的114种细胞型里，有5种并不是所有物种中都存在的。这包括一种狭鼻小目特有的皮质上层兴奋性神经元和一种人类特有特有的小胶质细胞。该人类特有的小胶质细胞在胚胎发育期就出现，一直持续到成年脑中，说明该细胞亚型可能具有重要的维持稳态，而非对抗疾病的作用。其次，即使细胞类型总体上是保守的，但是它们可以在各个物种中调整它们的相对丰度，从而形成不同的细胞功能网络。作者发现，人类的上层兴奋性神经元丰度高于其它物种，同时狭鼻小目的上层兴奋性神经元，即投射到其它皮质的神经元的丰度也高于阔鼻小目。相反，部分下层的兴奋性神经元，主要是投射到皮质下的神经元，丰度却在狭鼻小目（相比于阔鼻小目）中下降。这可能是由于相较于皮质下，新皮质有更大的扩增，相对的稀释了投射到皮质下的神经元。最后，进化上同源的细胞类型的异质性也可能存在差异，即细胞与细胞之间转录组差异可能在一个物种中上升或者下降。通过对转录组熵的分析，作者发现狭鼻小目的多个细胞型的细胞异质性相比于阔鼻小目有大幅提升，包括上层的兴奋性神经元。综上，通过多维度的细胞水平比较，作者发现狭鼻小目的上层兴奋性神经元在细胞亚型、丰度以及异质性都存在明显的提升。这既证明了，也进一步完善了灵长类的脑皮质扩增（Cortical expansion）理论。

另一方面，即使大多数细胞类型广泛存在于各个灵长类物种，但是它们的基因表达可能存在巨大差异。转录组相关性分析发现胶质细胞和其它非神经元细胞在物种间存在最显著的基因表达水平的差异。其中，作者在小胶质细胞里面发现了一个非常有意思的人类特有的变化，即FOXP2基因的表达。诸多研究表明FOXP2的突变可能导致失语症，并且和多种精神疾病相关，包括自闭症、精神分裂症和癫痫。FOXP2不在其他灵长类小胶质细胞表达，然而确在人类的小胶质细胞中表达。鉴于小胶质细胞和FOXP2相关的精神疾病存在重要关联，FOXP2的人类特异性表达进一步揭示了该基因的重要性。除此之外，FOXP2也在第四层兴奋性神经元存在灵长类特异的表达。

为了进一步了解物种特异的FOXP2表达是如何被调节的，以及FOXP2作为一个转录因子是否也会调节下游基因产生物种间差异的表达，作者继而在人类背外侧前额叶皮质运用了单细胞多组学测序（转录组和染色质可及性）并对这两种数据进行整合分析。该分析发现了多个细胞类型特异的顺式转录调控元件和FOXP2的表达相关，同时也预测了多个潜在的FOXP2的下游被调控基因，包括已经报道过的NFIA和NFIB。该分析也揭示了新的基因，其中有些和FOXP2存在相似的物种特异型表达模式，比如唐氏综合征基因DSCAM在小胶质细胞中存在人类特异性表达，以及可以调控树突脊发育的IL1RAPL2基因在第四层兴奋性神经元存在灵长类特异的表达，该表达可能和物种间前额叶皮质的树突脊丰度差异相关。

耶鲁大学马少捷博士为该文章共同第一作者，李倩博士、许川博士、梁丹博士、齐才博士和清华大学助理教授米达博士为文章共同作者。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.abo7257