Cell：新研究有助于確定使我們成為人類的基因變化

大約700萬年前，人類從我們最接近的動物親戚黑猩猩那里分離出來，在進化樹上形成了我們自己的分支。在此后的時間里---從進化的角度看是短暫的---我們的祖先進化出了使我們成為人類的性狀，包括比黑猩猩大得多的大腦和更適合用雙腳行走的身體。這些身體上的差異是由我們的DNA水平上的微妙變化所支撐的。然而，在我們和黑猩猩之間的許多微小的基因差異中，很難說哪些對我們的進化有意義。

在一項新的研究中，美國懷特黑德研究所成員Jonathan Weissman、加州大學舊金山分校助理教授Alex Pollen、Weissman實驗室博士后Richard She、Pollen實驗室研究生Tyler Fair及其同事們利用Weissman實驗室開發的前沿工具，將人類和黑猩猩如何依賴某些基因的關鍵差異的范圍縮小了。這一發現可能為人類和黑猩猩如何進化---包括人類如何能夠長出相對較大的大腦---提供獨特的線索。相關研究結果于2023年6月20日在線發表在Cell期刊上，論文標題為“Comparative landscape of genetic dependencies in human and chimpanzee stem cells”。

研究功能而非遺傳密碼

人類和黑猩猩之間只有少數幾個基因有根本性的不同；這兩個物種的其他基因通常幾乎是相同的。這兩個物種之間的差異往往歸結于細胞何時以及如何使用這些幾乎相同的基因。然而，這兩個物種在基因使用方面的許多差異中，僅其中的一些差異導致了身體性狀上的巨大變化。這些作者開發了一種方法來縮小這些有影響的差異的范圍。

他們的方法使用由人類和黑猩猩皮膚樣本衍生而來的干細胞，依賴于Weissman實驗室開發的一種名為CRISPR干擾（CRISPRi）的工具。CRISPRi使用CRISPR/Cas9基因編輯系統的改進版本，有效地關閉單個基因。他們使用CRISPRi在一組人類干細胞和一組黑猩猩干細胞中一次關閉每個基因。

接著，這些作者研究了這些干細胞是否以正常速度增殖。如果這些干細胞不再快速增殖或完全停止，那么被關閉的基因就被認為是細胞茁壯生長所必需的。他們尋找一個基因在一個物種中是必不可少的而在另一個物種中不是必不可少的例子，以此來探索人類和黑猩猩干細胞發揮功能的基本方式是否存在根本差異，以及如何存在根本差異。

通過尋找特定基因失效后細胞功能的差異，而不是尋找DNA序列或基因表達的差異，這種方法忽略了那些似乎不會影響細胞的差異。如果物種之間的基因使用差異在細胞水平上有很大的、可測量的影響，這很可能反映了不同物種之間在更大的物理尺度上的有意義的差異，因此以這種方式確定的基因可能與人類和黑猩猩進化過程中出現的區別性特征有關。

圖片來自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.043。

Weissman說，“觀察基因表達變化或DNA序列變化所面臨的問題是有很多這樣的變化，而且它們的功能重要性并不清楚。這種方法著眼于基因如何相互作用以執行關鍵的生物過程的變化，我們通過這樣做看到的是，即使在人類進化的短時間內，細胞也發生了根本性的重連接。”

在CRISPRi實驗完成后，She匯編了一份在一個物種中是必不可少的而在另一個物種中不是必不可少的基因清單。他隨后了尋找其中的模式。

在這些實驗確定的75個基因中，有許多基因聚集在同一通路中，這意味著這組基因參與了相同的生物過程。這正是這些作者希望看到的。基因使用的較小變化可能不會有太大的影響，但是當這些變化在同一生物通路或過程中積累起來時，它們就會集體地引起物種的實質性變化。當他們的方法確定了聚集在相同過程中的基因時，這向他們表明，他們的方法已經奏效，這些基因很可能參與了人類和黑猩猩的進化。

Pollen說，“分離使我們成為人類的基因變化好比是大海撈針，因為有數百萬個基因差異，其中大多數可能對性狀的影響微不足道。然而，我們知道有很多較小影響的突變，這些突變加在一起可能解釋了許多物種的差異。這種新方法使我們能夠研究這些總體效應，使我們能夠權衡它們在整體上對細胞功能的影響。”

這些作者認為更大的大腦可能依賴于調控細胞分裂速度的基因

這些作者對這個基因清單上的一組基因印象深刻：一組對黑猩猩來說必不可少但對人類來說并不是必不可少的基因，這些基因有助于控制細胞周期，而細胞周期調節細胞何時以及如何決定進行分裂。長期以來，人們一直假設細胞周期調節在人類大腦的進化中發揮了作用。這個假設是這樣的：神經祖細胞是將變成神經元和其他腦細胞的細胞。在成為成熟的腦細胞之前，神經祖細胞會多次分裂以制造更多的自我。神經祖細胞經歷的分裂越多，大腦最終包含的細胞就越多，因此，它就越大。

這些作者認為，在人類進化過程中發生的一些變化使神經祖細胞在細胞周期的非分裂階段花費的時間減少，并更快地過渡到分裂。這種簡單的差異將導致額外的分裂，每一次分裂基本上都能使最終的腦細胞數量翻倍。

與人類神經祖細胞可能經歷更多的分裂從而導致更大的大腦這一流行的假設相一致，這些作者發現一些幫助細胞在細胞周期中更快過渡的基因在黑猩猩的神經祖細胞中是必不可少的，但在人類細胞中卻不是。

當黑猩猩神經祖細胞失去這些基因時，它們會停留在非分裂階段，但當人類細胞失去這些基因時，它們會繼續循環和分裂。這些發現表明人類的神經祖細胞可能更能承受壓力---比如細胞周期基因的喪失---這將限制細胞的分裂次數，使人類能夠產生足夠的細胞來建立更大的大腦。

She說，“這一假設已經存在很長時間了，我認為我們的研究是第一個表明在神經祖細胞中細胞周期的調節方式實際上存在物種差異的研究之一。我們不知道我們的方法會突出哪些基因，當我們看到我們最有力的發現之一與這一現有的假設相匹配并加以擴展時，這真地很令人興奮。”

更多的受試者導致更有力的結果

將黑猩猩與人類進行比較的研究通常只使用來自每個物種的一或兩個個體的樣本，但這項研究使用了來自六個人和六只黑猩猩的樣本。通過確保他們觀察到的模式在每個物種的多個個體中是一致的，這些作者可以避免將個體之間自然發生的遺傳變異誤認為是整個物種的代表。這使他們能夠確信他們所發現的差異確實是不同物種之間的差異。

這些作者還將他們對黑猩猩和人類的研究結果與紅毛猩猩進行了比較，紅毛猩猩在我們共同的進化歷史中較早地從其他物種中分離出來。這使他們能夠弄清楚在進化樹上哪里最可能發生基因使用的變化。如果一個基因在黑猩猩和紅毛猩猩中都是必不可少的，那么它很可能在所有三個物種的共同祖先中都是必不可少的；一種特殊的差異更有可能在一個共同的祖先身上進化過一次，而不是獨立進化過多次。如果同一個基因在人類中不再是必需的，那么它的作用很可能在人類從黑猩猩中分裂出來后發生了變化。

利用這種系統，這些作者表明細胞周期調節方式的變化發生在人類進化過程中，這與他們促成人類大腦擴張的提議一致。

這些作者希望他們的研究工作不僅提高了我們對人類和黑猩猩進化的理解，而且還展示了CRISPRi方法在研究人類進化和其他人類生物學領域的優勢。Weissman實驗室和Pollen實驗室的研究人員如今正使用該方法更好地了解人類疾病---尋找基因使用的細微差別，這些差別可能是重要性狀的基礎，比如某人是否有患病的風險，或者他們如何對藥物的反應。

這些作者預計，他們的方法將使他們能夠對人與人之間的許多微小的基因差異進行分類，以縮小影響在健康和疾病中性狀的范圍，就像該方法使他們能夠縮小幫助我們成為人類的進化變化的范圍一樣。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Richard She et al. Comparative landscape of genetic dependencies in human and chimpanzee stem cells. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.043.

2. Researchers focus on function to help identify genetic changes that made us human
https://phys.org/news/2023-06-focus-function-genetic-human.html