上海交大研究人类大脑，证明人类存在导致精神疾病的特异基因表达
2022-10-09 17:19·
DeepTech深科技因“在灭绝的古人类基因组和人类进化方面的发现”，2022 年诺贝尔生理学或医学奖单独授予瑞典科学家斯万特·帕博（Svante Pääbo）。在帕博的研究中，基因测序是一个重要工具。而在耶鲁大学医学院精神病学系博士后马少捷的最新 Science 一作论文里，也使用了相似的基因测序手段解析了人类大脑的进化。
图 | 马少捷（来源：马少捷）
研究中，他和同事测量了 4 个物种的超 60 万个细胞转录组，累计发现 114 种细胞类型。虽然其中 109 种是四个物种中共同存在的，但是他们发现了一种人类特异的细胞类型以及多个人类特异表达的基因，这有助于进一步了解神经精神疾病的相关机制。
该研究想回答的问题，是领域内一直悬而未决的问题，也是很多科学家努力多年想解决的问题：人类特化的机制是什么？即经过漫长的进化历程，人类发展出了语言、抽象思维、高级认知和复杂的社会行为，这些都是其它物种、包括和人类亲缘关系很近的灵长类，所不具备的特征。
那么，人类这一切独特变化产生的机制是什么？目前人们对于这一问题仍然知之甚少。但是，有一点是毋庸置疑的，大脑是这一切高级智能的中心。
马少捷目前所在的实验室致力于该问题的研究。即通过比较人类和其他物种，特别是其他灵长类物种的大脑，找出人类特有的变化，以此阐明人类的高级认知功能的形成机制。
大脑是一个非常复杂的器官，可以细分成 200 多个脑区。如此复杂的系统，该如何入手研究呢？在众多的脑区中，前额叶皮质是非常重要的脑区，它占据了大脑额叶（位于脑的前半部分）约 2/3，被认为是人类高级认知功能的中心。
该脑区也和多种神经精神疾病相关，包括精神分裂、自闭症、癫痫、阿尔兹海默等。此次研究关注的是前额叶皮质的背外侧区域。这个区域是属于灵长类特有的区域，在其它物种，比如常见的小鼠模型中，这个区域并不存在。
另外，大脑各个脑区不是独立工作的，而是通过各种连接进行信息的交互，这也是认知形成非常关键的基础。该团队所关注的脑区，也和其他多个脑区有着丰富的连接。基于以上这些原因，研究人员认为这一脑区是解析认知功能一个非常好的着眼点。
跨物种的比较分析，是该课题组的主要研究手段之一。研究中，其选取了四个代表性的灵长类物种：人类、黑猩猩、恒河猴和狨猴。
黑猩猩是目前仍存在的、和人类亲缘关系最近的物种之一。如果把人类和一个亲缘关系非常远的物种比如细菌相比，肯定能发现很多差异。但是，这其中只有很少一部分能真正代表人类特异的变化。因此，才在研究中加入了人类的近亲黑猩猩。
另一方面，如果只有亲缘关系近的物种，那么可能存在如下情况：人类和黑猩猩以及其他亲缘关系相对较远的灵长类的共同祖先中，可能存在着某种性状。
比如，表达了基因 A，但是该基因表达在进入人和黑猩猩的分支时，可能只在黑猩猩中丢失了，而在人类、以及尚未进入人和黑猩猩的分支中却仍然存在。也就是说，这个基因的表达并不是一个人类特有的特征。
基于此，研究中又加入了两个和人类亲缘关系较远的物种：即恒河猴和狨猴，来作为外类群。从而让跨物种比较分析更具可靠性，以便找到人类特有的变化。同时，这两种猴子物种也是常见的实验室模式生物。
（来源：Science）
测量 4 个物种的超 60 万个细胞转录组
前面提到，基因方法是完成此次成果的“利器”。具体来说，该研究开展得益于一项新技术的开发与运用——单细胞转录组分析。转录组分析是一种能同时检测细胞里成千上万个基因表达的技术，它给脑科学研究带来了革命性的突破。
在单细胞转录组分析技术之前，转录组分析基本都是对于某一块组织匀浆水平的测量。组织内部是很复杂的，比如有很多种不同类型的细胞，不同细胞类型也有着不同的基因表达特征，这导致对于组织水平的转录组测量，其实是很多东西杂糅在一起的平均结果。
好比一个黑盒，很难准确知道组织内部到底是什么样子。单细胞转录组分析，顾名思义，该技术可以同时测量单个细胞内成千上万个基因的表达水平，而且可以一次检测成千上万个细胞。而本次研究一共测量了四个物种、共计超过 60 万个细胞的转录组。
获悉每个细胞的转录组，到底有何好处？一方面，基于基因表达的高低，可以推测细胞的类型。大脑里面有很丰富的细胞类型，比如神经元有些类型可以投射到其它脑区，有些只能在局部区域投射。
同时也有一些支持细胞，比如小胶质细胞，其作为大脑特异的免疫细胞，可以维持神经系统的稳态。
在测量了几十万个细胞的转录组之后，即可了解人类和其他灵长类的大脑中有什么样的细胞类型、以及是否存在一些人类所特有的细胞类型。
另一方面，基于细胞类型的区分和物种间转录组的相似性，可以找到物种间同源的细胞类型，从而在同一种细胞类型中，比较人类和其他灵长类的基因表达差异。
“打个比方，这就保证了我们是在做苹果与苹果、香蕉和香蕉之间的比较，而不是苹果和香蕉之间的对比。”马少捷说。
（来源：Science）
研究中，该团队发现了很多物种特异的变化，包括人类特有的变化。那么，回到之前提的问题，人类是否存在一些特异的细胞类型？
答案是肯定的。本次研究一共发现 114 种细胞类型，其中 109 种是四个物种中共同存在。由此可见，虽然是不同的灵长类物种，但是它们前额叶皮质中确有着非常相似的一套细胞类型。
另据悉，课题组还发现有一种类型的小胶质细胞，只存在于人类的大脑中。
人类的生活环境、以及生活方式，和其他灵长类差异非常大。而胶质细胞对于外界环境的变化又非常敏感，所以它的存在很可能代表了人类特有的一种免疫反应，以维持大脑的内部稳态。
因此，小胶质细胞的这一物种间差异，可被看成是所有胶质细胞进化的一个缩影。同时，此次研究还发现在参与实验的物种之间，胶质细胞呈现出了最明显的基因表达差异，比各种神经元细胞型的物种差异都要明显。
既然人类和其它物种的细胞类型如此相似，那么这些同源的细胞类型的基因表达层面有什么差异？
这里就要提到另一个发现：即一种人类前额叶皮质中的神经元，可以表达多个多巴胺信号通路的基因，包括多巴胺的合成酶、转运酶和与之结合的受体基因。
（来源：Science）
尽管该类型的神经元在其它三个物种中都存在，但是这些多巴胺信号通路的基因并不都在其它物种中表达。这说明人类的这类神经元很可能产生了一些独特的进化，使其具备了分泌多巴胺的功能。
多巴胺这种神经递质，很多时候被公众认知为一种爱情激素，在恋爱的时候大量分泌。事实上，它和大脑的奖励机制也很相关，在学习和认知中有非常重要的作用。很多疾病比如帕金森综合症和精神分裂症，都和多巴胺的水平异常有很大关联。
相较于其他众多灵长类，在人类的前额叶皮质里，有比较高的、从其它脑区传入的多巴胺信号。此次研究发现的这种人类特有的、前额叶皮质神经元分泌多巴胺的特征，可能会进一步增强前额叶皮质的多巴胺信号，从而为人类的高级认知打下基础。
另一个人类特有的基因表达的例子，是一个跟语言相关的基因 FOXP2。当该基因存在突变时，人就会患上言语障碍。同时，这个基因也和多种神经精神疾病相关。然而该团队发现，它只表达在人类的小胶质细胞中，却不在其它物种的小胶质细胞中表达。
（来源：Science）
这一方面说明小胶质细胞对于维持大脑稳态尤为重要，另一方面也说明有些人类特有的基因表达，可能也会让人类相比于其它物种，更容易产生神经精神疾病。
最后，回到刚开始的问题。到底是什么样的机制，让人类具有这些区别于其它物种的特质？可以预见的是，未来很长时间内学界都将持续探索。
“我想，我们的研究价值在于，为这份科学研究的拼图拼上了一小块，为后续的拼图提供了一些思路。”马少捷说。
总结来说，此次研究通过单细胞转录组，分析了人类和其他灵长类的背外侧前额叶皮质，并比较了人类和其他物种的细胞和基因表达水平的差异。
日前，相关论文已经发表在 Science[1]。论文题为《灵长类动物背外侧前额叶皮层的分子和细胞进化》（Molecular and cellular evolution of the primate dorsolateral prefrontal cortex）。
图 | 相关论文（来源：Science）
马少捷和马里奥·斯卡瑞卡（Mario Skarica）担任共同第一作者，耶鲁大学医学院神经科学系教授内纳德 ·塞斯坦（Nenad Sestan）、威斯康星大学麦迪逊分校医学与公共卫生学院神经科学系教授安德烈·MM ·索萨（André M. M.Sousa）、耶鲁大学医学院神经科学系教授斯蒂芬·M· 斯特里特马特（Stephen M. Strittmatter）担任共同通讯作者。
评审专家给出了如下评价：
首先，目前关于单细胞转录组水平的跨灵长类比较分析寥寥无几，这篇论文算是该领域研究迈出的第一步，也是影响深远的一步。
其次，他们赞扬了研究人员对于灵长类前额叶皮质的细胞类型的解析，并称赞这同时揭示了众多进化中保守和物种特异的变化。
另外，他们也肯定了此次工作的全面性和详细程度，不仅工作量大、涉猎广，而且很多方面都并非停留在表面。
最后，他们认为这一工作既给未来前额叶皮质的研究提供了非常好的资源，也为后续了解人类大脑进化的研究提供了更多方向和灵感。
此次论文能被 Science 收录，也受益于课题组此前的积累。实验室之前的两篇Science论文，从组织水平比较了物种之间的基因表达差异。
在单细胞转录技术得到推广之后，该团队立刻将这一技术应用到此次研究中。顺利投稿的背后是研究者的共同付出。论文的作者非常多，其中也包括中国学者所贡献的数据、分析、以及实验验证。
就应用前景来说，一方面，此次研究发现了在神经精神疾病基因中，人类特有的表达模式。在未来的疾病研究中，如果涉及此类基因，可考虑运用一些人类实验模型，从而更好地模拟该基因在相关疾病中的作用。
事实上，这类情况并不罕见。有时在其它动物模型中的发现，可能并不适合临床应用。这或许是因为物种之间的差异，尤其是人类特有的变化，导致其它动物模型有时无法完全模拟疾病机制。
另一方面，在大数据时代的当下。未来的脑科学一定会整合类型更丰富的数据，来更好地了解大脑的工作机制。
而此次研究恰好展示了如何基于转录组的分析，来了解大脑的细胞类型、进化和功能。后续，再结合多维度的数据，即可更全面、更深入地了解大脑中细胞的功能、以及它们进行信息交互的原理。
但是投稿也并非“绝对”的顺利。2022 年 2 月，课题组准备投稿的前一天，马少捷和导师、以及其他合作者一直远程开会到深夜，确认了论文没有问题之后才投出去。
有趣的是，第二天一大早就收到了编辑发来的邮件——把稿子退回来了。“这可能是我们经历最快的'拒稿’。编辑希望大幅缩减文章篇幅，后来删减了将近一半的内容，才勉强达到最高字数的要求。即使这样，终版论文也有 8000 字正文、以及将近 100 页的论文补充材料。期间我更加体会到做科研需要踏实细致和考虑全面。科研工作者所做的工作，远比见刊论文上呈现的多得多。”马少捷说。
希望“为未来国内的脑计划相关研究贡献自己的绵薄之力”
而他能有今天的成果，也和自本科起的积累息息相关。其本科毕业于上海交通大学生命科学技术学院，大二就开始进入实验室。当时他师从于该校生命科学技术学院的谢志平研究员团队，主要研究细胞自噬。
细胞自噬，顾名思义指的是一些细胞分解部分内部组成的生物学过程。该途径可以给细胞提供营养、维持稳态，因此也和多种疾病以及长寿息息相关。
本科期间，马少捷和所在团队发现了一个新的非经典的细胞自噬途径，并且解析了该途径多个关键的基因，其也作为共同第一作者将论文发表于 BMC Biology 杂志。
后来，来到耶鲁大学读博，师从内纳德·塞斯坦教授，主要研究是人脑的发育与进化，致力于进一步解析人类独有的区别于其它物种的分子机制。
2022 年 5 月，马少捷获得耶鲁大学遗传学博士学位，并继续在同一实验室担任博后和生物信息组负责人。近期，他正在准备另一篇计划投稿到 Science 的论文。
事实上，后续该团队还有很多研究方向。第一，此次研究发现了很多人类特有的基因表达变化。那么一个直接的问题是：什么样的 DNA 水平调控机制让人类有了这些变化？
我们知道，人类和其它物种的 DNA 序列是不完全一样的，所以是否因为序列差异导致某个基因更容易在人类中表达？
其次，DNA 的开放程度也存在物种差异。比如，人类中的某些特异调控机制让某段基因片段更加开放，从而让其它调控因子更容易地结合到这一区域，进而开启基因的表达。那么，到底为何有这种差异？
为了解析这些问题，该团队会引入跨物种多组学的分析。未来在同一个细胞类的研究上，将不再仅仅测量基因表达，还会测量 DNA 的开放程度。这样，就能把 DNA 水平的信息和基因表达信息直接关联，并找出其中的调控机制。
第二，此次研究发现的人类特有的基因表达，会产生哪些下游的影响？比如，人类神经元表达了一种特定的离子通道蛋白，那么它的存在是否会改变该细胞的电生理特性，从而影响神经元相关的信息传输？
类似的，人类特定表达了一种神经递质，可以想象为这是细胞间交流的一种分子。所以，它的存在就会影响细胞之间的交流方式，也可能会让分泌该物质的细胞与其它细胞产生新的交流。基于此，后续马少捷和同事将通过多种实验，来了解这些人类特有的基因表达所产生的细胞与生理的作用。
对于更远的未来，他表示：“我希望结合湿实验和生物信息学分析来进一步解析大脑的发育、进化、功能和疾病的分子机制，为未来国内的脑计划相关研究贡献自己的绵薄之力。”
参考资料：
1.Ma, S., Skarica, M., Li, Q., Xu, C., Risgaard, R. D., Tebbenkamp, A. T., ... & Sestan, N. (2022). Molecular and cellular evolution of the primate dorsolateral prefrontal cortex. Science, eabo7257.
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真理-2
首先，要以“人类病态”为宗旨从事索源研究，而不是反过来把独特的差异看成是卓越的进化。 其次，要带着“拯救人类”的抱负和目的从事这些研究，从而能更简捷更精准地找到原因。例如：还可以对比研究“动物养大的孩子”、“无他人影响长大的婴幼儿”等等，可以从中发现修复人类的希望、可能及途径。 另外，也是最重要的：一切科学所谓的“神经、精神”也只是肉体和物理层面的表达，应该深入地与生命之灵结合研究。这需要引入相当高明的宗教和哲学思考（其实科学的夙愿与目的也是探究和述说真理）。 科学研究本是多余的，因为人们越来越失去灵通而迷茫和多疑，所以要想使其信服，就要“科学实证地”让其“看得见，摸得着”。但很遗憾，科学的回答真的是很有限！惟愿苦逼的人类能够尽快地觉醒。
·昨天00:26
青少儿精神心理医师何1
单细胞转录组分析。转录组分析是一种能同时检测细胞里成千上万个基因表达的技术，它给脑科学研究带来了革命性的突破。
·23小时前
易灵境3
学习了
·前天20:43
