前扣帶回皮層(ACC)在靈長(zhǎng)類大腦的功能網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)一個(gè)獨(dú)特的位置,它通過(guò)遠(yuǎn)程神經(jīng)投射將與“情感”相關(guān)的邊緣系統(tǒng)和與“認(rèn)知”相關(guān)的前額葉皮層相連接。ACC參與多種高級(jí)認(rèn)知功能的調(diào)控,包括注意力分配、獎(jiǎng)賞預(yù)期、決策和情緒調(diào)節(jié)等,并與多種人類精神疾病的發(fā)生相關(guān)。ACC雖然在哺乳動(dòng)物大腦中是一個(gè)保守的皮層區(qū)域,但在細(xì)胞水平上,ACC在演化中發(fā)生了一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新,即在體型較大的社會(huì)性哺乳動(dòng)物中出現(xiàn)了大型投射神經(jīng)元——紡錘形神經(jīng)元(VEN)。VEN是一類特殊的雙極神經(jīng)元,以紡錘形胞體和粗大的頂樹(shù)突和基底樹(shù)突為特征。在靈長(zhǎng)類中,VEN僅見(jiàn)于人類、猿類和舊大陸猴的大腦中,而在更原始的新大陸猴和原猴亞目的靈長(zhǎng)類中不存在,表明其起源時(shí)間相對(duì)較近(約兩千五百萬(wàn)年前)。在人類中,VEN較非人靈長(zhǎng)類體積更大、數(shù)量更多。因此,神經(jīng)生物學(xué)家猜測(cè)VEN可能參與調(diào)節(jié)ACC相關(guān)的高級(jí)認(rèn)知功能。然而,目前我們對(duì)ACC中VEN的起源與人類特化的遺傳機(jī)制了解很少,跨物種構(gòu)建和解析ACC單細(xì)胞多組學(xué)圖譜是了解在人類起源過(guò)程中人腦在細(xì)胞和分子水平演化創(chuàng)新的新視角。
中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所宿兵團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)院張世華團(tuán)隊(duì)合作,對(duì)人類和獼猴的ACC進(jìn)行了單細(xì)胞多組學(xué)的跨物種整合分析。研究發(fā)現(xiàn),人與獼猴的興奮性神經(jīng)元亞型端腦外投射神經(jīng)元(ET)顯著高表達(dá)了超過(guò)一半的已知VEN標(biāo)記基因,而其他神經(jīng)元亞型則沒(méi)有,這說(shuō)明ET包含VEN細(xì)胞簇。通過(guò)與發(fā)表的小鼠數(shù)據(jù)比較,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)小鼠第V層錐體束神經(jīng)元(L5-PT)與靈長(zhǎng)類的ET神經(jīng)元關(guān)系密切,并由此推測(cè)VEN可能起源于與L5-PT類似的神經(jīng)元亞型。通過(guò)跨物種比較,他們篩選出16個(gè)人與獼猴共享的VEN標(biāo)記基因和20個(gè)人類特異的VEN標(biāo)記基因。這些基因在VEN中的特異高表達(dá)反映了這種新的細(xì)胞類型在靈長(zhǎng)類大腦中起源和人類特化的分子特征。進(jìn)一步,通過(guò)小鼠子宮電轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),他們證實(shí)三個(gè)標(biāo)記基因(PCSK6,ADAMTSL3,CDHR3)在小鼠胎腦前扣帶回區(qū)的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致第V層神經(jīng)元的形態(tài)發(fā)生改變,產(chǎn)生了類似VEN形態(tài)的神經(jīng)細(xì)胞類型,說(shuō)明這些靈長(zhǎng)類和人類特異的VEN標(biāo)記基因在演化中的調(diào)控改變可能是導(dǎo)致VEN這種新細(xì)胞類型出現(xiàn)的分子機(jī)制。
除此之外,研究團(tuán)隊(duì)還解析了基因組中人類特異的序列改變對(duì)ACC中各種細(xì)胞類型基因表達(dá)調(diào)控的影響。通過(guò)整合人與獼猴差異的染色質(zhì)開(kāi)放位點(diǎn)(snATAC-seq)與基因表達(dá)數(shù)據(jù)(snRNA-seq),研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)超過(guò)83%的物種間差異調(diào)控元件(cis-regulatory element,CRE)都存在人類特異的單點(diǎn)突變(SNC),且有671個(gè)人類加速進(jìn)化區(qū)(HARs)落在了這些差異CRE位點(diǎn)上。由此,研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了人類特異SNC對(duì)于轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的影響,構(gòu)建了受到人類特異序列改變事件影響的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),并發(fā)現(xiàn)其中的顯著信號(hào),包括ACC興奮性神經(jīng)元中HPCAL1和HAR1A基因的調(diào)控,小膠質(zhì)細(xì)胞中SRGAP1和FOXP2基因的調(diào)控。同時(shí),VEN中CDHR3基因上游也存在CRE元件受到人類特異SNC的影響。這些研究結(jié)果在一定程度上解釋了基因組中人類特異序列改變對(duì)大腦ACC基因表達(dá)調(diào)控乃至人類高級(jí)認(rèn)知功能產(chǎn)生的影響。
本研究首次構(gòu)建了人類和獼猴大腦ACC這樣一個(gè)重要腦區(qū)的基因表達(dá)和調(diào)控圖譜,通過(guò)跨物種單細(xì)胞多組學(xué)比較分析揭示了靈長(zhǎng)類大腦新細(xì)胞類型起源和人類特化的分子調(diào)控機(jī)制,助力我們進(jìn)一步闡明人腦高級(jí)認(rèn)知功能出現(xiàn)的遺傳基礎(chǔ)。該研究成果于2024年12月3日在線發(fā)表于國(guó)際知名綜合學(xué)術(shù)期刊Cell Genomics。中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所特別研究助理袁佳妙博士,中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院博士后董康寧(現(xiàn)為中國(guó)人民大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院講師),中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所博士研究生吳海旭、曾雪芮為文章共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所宿兵研究員和中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)研究院張世華研究員為論文的共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和云南省科技廳的資助。
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跨物種單細(xì)胞多組學(xué)解析靈長(zhǎng)類大腦演化過(guò)程中的細(xì)胞和分子創(chuàng)新(示意圖)