目前已有大量研究證實(shí)快速進(jìn)化的調(diào)控元件是驅(qū)動(dòng)復(fù)雜性狀進(jìn)化的重要因素,例如人類大腦進(jìn)化。但是人類發(fā)達(dá)的大腦并非一蹴而就,而是經(jīng)歷從原猴、新大陸猴、舊大陸猴、小猿、大猿到人類不斷增加的過程,目前少有研究探討這些調(diào)控元件對(duì)其他非人靈長(zhǎng)類,特別是相對(duì)原始的靈長(zhǎng)類大腦進(jìn)化的影響。?
為深入解析驅(qū)動(dòng)靈長(zhǎng)類大腦進(jìn)化的遺傳機(jī)制,中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所吳東東課題組與盛能印課題組、王文課題組和張國捷課題組合作,整合大量靈長(zhǎng)類基因組、轉(zhuǎn)錄組、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與表觀組數(shù)據(jù),全面分析了調(diào)控序列在靈長(zhǎng)類大腦進(jìn)化過程中的作用機(jī)制與功能影響。?
本研究基于靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃產(chǎn)生的大規(guī)模組學(xué)數(shù)據(jù),分析鑒定出支系特異快速進(jìn)化的調(diào)控元件(conserved non-coding elements that exhibited rapid evolution in specific lineage, RECNEs,是指在特定支系的基因組中進(jìn)化速率顯著升高的保守非編碼元件),以及靈長(zhǎng)類的大腦特異高表達(dá)基因。研究人員分別鑒定并且注釋出靈長(zhǎng)類八個(gè)主要祖先節(jié)點(diǎn)上的RECNEs,結(jié)果表明每個(gè)祖先節(jié)點(diǎn)上,許多與大腦發(fā)育基因相關(guān)的調(diào)控序列都經(jīng)歷了快速進(jìn)化,尤其是,除人類支系以外,類人猿下目祖先(Simiiformes)富集了最多的RECNEs,其所調(diào)控的基因主要作用于神經(jīng)發(fā)生、神經(jīng)元發(fā)育與遷移等功能通路。靈長(zhǎng)類和非靈長(zhǎng)類大腦單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的跨物種比較分析表明,RECNEs可能驅(qū)動(dòng)靈長(zhǎng)類神經(jīng)細(xì)胞中某些基因的高表達(dá),影響神經(jīng)元功能。這些研究發(fā)現(xiàn)支持了靈長(zhǎng)類尤其是人類大腦擴(kuò)張是一種持續(xù)的進(jìn)化過程,從早期的靈長(zhǎng)類動(dòng)物就開始了,而不僅僅是發(fā)生在人類譜系中。?
除RECNEs以外,本研究還結(jié)合靈長(zhǎng)類與非靈長(zhǎng)類大腦的表觀組數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),分析獲得靈長(zhǎng)類大腦特異性的調(diào)控元件和高表達(dá)基因,即與非靈長(zhǎng)類相比,只在靈長(zhǎng)類大腦中具有調(diào)控活性的非編碼序列和高表達(dá)基因。分析最終獲得101個(gè)靈長(zhǎng)類特異的大腦高表達(dá)基因,研究人員選取BMP7基因做了進(jìn)一步的功能實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在類人猿下目祖先中,BMP7基因可能通過獲得靈長(zhǎng)類特異的調(diào)控元件而被招募到大腦中行使功能,進(jìn)而促進(jìn)類人猿下目祖先腦室下區(qū)和腦室區(qū)神經(jīng)元的增殖。?
本研究提供了一個(gè)系統(tǒng)全面的靈長(zhǎng)類大腦進(jìn)化的候選基因和調(diào)控元件集合,這些數(shù)據(jù)對(duì)于未來的神經(jīng)生物學(xué)功能研究尤其是人類大腦快速進(jìn)化機(jī)制的研究具有重要的價(jià)值。?
該研究以“Integrative omics reveals rapidly evolving regulatory sequences driving primate brain evolution”為題,于2023年7月26日在線發(fā)表在Molecular Biology and Evolution上(https://doi.org/10.1093/molbev/msad173)。中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所吳東東研究員、盛能印研究員、王文研究員與張國捷研究員為論文的共同通訊作者。該研究受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院西部之光項(xiàng)目和云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助。?