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Science:人類在實驗室創建了微型“大腦”,含祖先基因的那種


量子位萬象大會年度獲獎創作者,量子位官方帳號,財經領域創作者這一古基因變體包含兩種已經滅絕的古人類物種——尼安德特人(N)和丹尼索瓦人(D)...

- 2021年2月15日23時55分
- 科學文摘 /

量子位

萬象大會年度獲獎創作者,量子位官方帳號,財經領域創作者

這一古基因變體包含兩種已經滅絕的古人類物種——尼安德特人(Neanderthals)和丹尼索瓦人(Denisovans)的基因。(後續其簡稱尼人和丹人)

科學家Pick的原因,是他們與現代人基因組總體上非常相似。

不過這一器官體,包括大小、形狀和質地上都與人類器官有明顯的差異。但值得肯定的是,這一研究可以幫助了解人類大腦進化的遺傳途徑。

如何實現?

以往的研究表明,這兩種古人類,尼人和丹人,與人的親緣關系比任何活著的靈長類動物都要密切。

以尼人為例,在現代人身上仍然可以找到約40%的尼人基因組分布。

但因為軟組織保存並不完好,大多數研究都依賴於檢查頭骨化石的大小和形狀,無法真正了解這些物種與人類的基因有何不同。

因此,加州大學聖地亞哥分校的研究員們就想到了這一方法:

將古基因變體引入人類多功能幹細胞,生成類似大腦的器官體。

首先,選擇表達基因。

研究人員將人類基因組序列庫與兩個尼人和一個丹人的基因組比較,結果發現有62個基因與人類物種始終不同。

其中,NOVA1參與形成大腦的突觸或神經連接,並在其活性發生改變時與神經系統疾病相關。

△D,現代人類的系統發育;E:NOVA1的3D結構

而人類的NOVA1基因與古老的變體(仍存在於其他靈長類動物中)的不同之處,是一個單一堿基。

因此研究人員使用基因編輯技術,在多功能幹細胞中將人類的NOVA1等位基因替換成尼人和丹人的等位基因。結果導致了一種氨基酸的變化——異亮氨酸變成纈氨酸。

為了研究這種氨基酸在人類中的功能重要性,研究人員通過功能性皮質器官跟蹤多功能幹細胞的神經發育。

實驗結果

最終,他們將這些細胞培養成器官體——類似於大腦的組織團塊,直徑達5毫米,表面略微粗糙,形狀也跟人類的不太一樣。

△上:人類器官;下:含古基因變體的大腦類器官

其中一個研究者表示,這可能是因為細胞生長和繁殖方式的不同。

此外,還有在分子水平上的差異。

△1個月大皮質器官的冷凍切片,上為人類器官,下為古基因變體的類器官

研究小組發現,這一器官體含有不同水平的突觸蛋白,其神經元的發射模式也不如對照組織(人類器官)中的神經元有序。還有證據表明,它們成熟得更快。

專家評論

對於這項研究,不少生物遺傳領域的專家給出了不同的意見。

有持懷疑態度的。

瑞士巴塞爾大學的發育生物學家格雷坎普表示,

這些古基因器官體不太可能完全代表真正的尼人組織,相反,觀察到的特征,可能只是改變人類某種一種重要蛋白質的結果。

德國進化遺傳學家Wolfgang Enard也對器官體能告訴我們古人類大腦相關信息表示懷疑,但他驚訝於這麼小的基因變異引起如此明顯的變化。

最重要的發現是,將基因恢複到祖先的狀態,能夠看到器官體效果。

美國範德堡大學的進化神經科學家Suzana Herculano-Houzel說,使用編輯後的類器官方法來研究靈長類動物的大腦進化,是很有用的。

而本次研究團隊的通訊作者——加州大學聖地亞哥分校,細胞與分子醫學系教授Alysson R. Muotri,則表示這一研究可以幫助理解將人類帶到目前狀態的進化途徑。

進一步的,可以研究一些人類大腦的特有疾病。

參考鏈接:

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00388-2?utm_source=twt_nnc&utm_medium=social&utm_campaign=naturenews

https://www.reddit.com/r/science/comments/lhu2c6/neanderthallike_minibrains_created_in_lab_with/

https://science.sciencemag.org/content/371/6530/eaax2537


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