人脑中基因表达的演变格局：专门化而非单纯增加

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员，包括教授Soojin Yi、她的博士生Dennis Joshy，以及来自巴塞罗那Hospital del Mar医学研究所的合作者Gabriel Santepere，旨在调查各种脑细胞中的基因进化与黑猩猩的比较。他们发现，尽管我们基因编码的蛋白质几乎与其他猿类相同，但我们许多基因的生产率显著高于其他灵长类动物。他们的发现发表在《国家科学院院刊》上，强调了基因表达在人类大脑进化和功能中的重要性。

理解自然的指令

每个基因指示细胞产生特定的分子，但执行这一指令并不完全依赖于DNA。这一信息通过一种称为信使RNA（mRNA）的分子传递到细胞的机器。研究人员通过测量特定基因产生的mRNA数量来评估基因表达。

随着科学家开始理解基因组作为生命蓝图的功能，他们推测人类基因组可能解释了我们的独特特征。然而，2005年的详细分析发现，人类与黑猩猩共享大约99%的基因（这一数字后来进行了调整）。这确认了早期研究所表明的人类与黑猩猩之间的基因差异微乎其微。

现在，生物学家认为基因表达的差异可能解释了这些变异。以帝王蝴蝶为例：成虫蝴蝶保留与其作为毛虫时相同的基因组，但这些生命阶段之间的显著差异是由基因表达变化引起的。激活或失活某些基因，或改变mRNA的生产水平，会显著影响生物体的特征。

澄清画面

过去的研究确定了人类与黑猩猩之间的基因表达差异，显示人类细胞通常表现出更高水平的基因表达。然而，整体理解仍然模糊。大脑包含多种细胞类型，通常分为两个主要组别：神经元和胶质细胞。神经元传导电化学信号，类似于建筑物中的铜线功能，而胶质细胞执行其他各种基本任务，例如绝缘电线、维护结构支持和清除废物。

直到最近，研究一直限于由多种细胞类型组成的汇总组织样本。然而，过去十年的进展使科学家能够分析单个细胞核，从而能够区分细胞类型，甚至常常是亚类型。

Yi、Joshy和Santepere利用一种先进技术，该技术具有狭窄通道，将每个细胞核隔离到阵列中的不同腔室中。然后，他们按类型对细胞进行分类，然后进行统计分析。

研究人员通过测量人类、黑猩猩和猕猴中特定基因产生的mRNA数量来评估基因表达。一个上调的基因在一种物种中产生比其他物种更多的mRNA，而一个下调的基因产生更少。将黑猩猩和人类与猕猴进行比较，使团队能够确定观察到的差异是由于黑猩猩、人类，还是两者都存在的变化。

作者注意到所研究的25000个基因中大约5-10%的表达存在差异。总体而言，人类细胞表现出相较于黑猩猩更多的上调基因，比例远远大于之前观察到的较不详细分析的结果。当考虑到细胞亚类型时，这一比例增至12-15%。

“现在我们可以看到，单个细胞类型有其自己的进化轨迹，变得高度专业化，”Yi解释道。

超越仅是神经元

我们神经连接的复杂性在动物王国中无与伦比，但Yi认为我们的独特智力来源于不仅仅这个方面。人类的胶质细胞占我们大脑细胞的一半以上，这一比例显著高于黑猩猩。

在胶质细胞中，少突胶质细胞表现出最明显的基因表达差异。这些细胞产生绝缘神经元的髓鞘，促进它们的电信号更快、更高效的传递。在去年的一项合作研究中，团队发现人类的前驱少突胶质细胞与成熟少突胶质细胞的比例高于黑猩猩。Yi推测，这可能与人类大脑的显著神经可塑性和渐进发展有关。

“我们神经网络的更大复杂性可能并非孤立演化而成，”Yi表示。”它的形成离不开这些其他细胞类型的进化，这促进了神经元多样性的扩展、神经元总数以及网络的复杂性。”

这项研究集中在有限数量的脑区域中的细胞，因为一个区域的细胞可能与其他区域的细胞不同。Yi计划调查基因表达变化背后的机制，以及基因与特定特征的关系。

此外，她希望通过检查与更远缘关系的物种的基线，追溯基因表达变化在我们进化时间线中的早期阶段。她还对探索现代人类与古人类（如尼安德特人和丹尼索瓦人）之间的遗传差异感兴趣。

进化不仅仅涉及改变基因。”差异基因表达才是真正使人类大脑进化的方式，”Yi强调道。