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曾經(jīng)有一句名言：人與人之間的差別有時(shí)候大過人和大猩猩的區(qū)別。  （圖片源自網(wǎng)絡(luò)） 《猩球崛起》中的主角“凱撒”是一只實(shí)驗(yàn)黑猩猩，被喂養(yǎng)一種治療阿爾茲海默癥的病毒載體藥物后智力得到大幅度提高，也因?yàn)樗麡O高的智力，最后帶領(lǐng)眾多黑猩猩與人類發(fā)生了激烈沖突。  （圖片源自網(wǎng)絡(luò)） 那么人類和靈長類動(dòng)物的大腦究竟有什么區(qū)別呢？大腦是一個(gè)神奇的器官。人與其他靈長類動(dòng)物的最大區(qū)別就在于人類大腦的非凡能力（圖1）[1]，以及人類大腦的尺寸是靈長類動(dòng)物中最大的，大概是黑猩猩、猴子的三倍大[2]，并且神經(jīng)元的數(shù)量也多得多。為什么只有人類能發(fā)育出這樣高的智能呢？也是一個(gè)困擾科學(xué)家很久的問題。現(xiàn)在已經(jīng)有許多關(guān)于這方面的研究，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)祟惡挽`長類動(dòng)物大腦的差別主要在寬度而不是厚度[3]，即皮層的厚度類似，大腦表面積有很大區(qū)別。也就是說，如果靈長類動(dòng)物的大腦表面積可以人為的進(jìn)一步擴(kuò)大，那么達(dá)到人類的智力水平也不是不可能。  圖1 靈長類大腦的尺寸比較 （來自參考文獻(xiàn)[1]） 大腦的發(fā)育是從神經(jīng)上皮細(xì)胞（neuroepithelial cells, NE）開始的，首先NE細(xì)胞對(duì)稱分裂擴(kuò)大干細(xì)胞池，隨后在某些信號(hào)分子的作用下轉(zhuǎn)化為放射狀膠質(zhì)細(xì)胞（radial glia cells, RG），RG細(xì)胞通過不對(duì)稱分裂產(chǎn)生投射細(xì)胞（projection cell）沿RG細(xì)胞的軸突向上爬，最后形成皮層（圖2）[4]。這里需要注意的是，NE對(duì)稱分裂會(huì)擴(kuò)大干細(xì)胞池從而影響皮層表面積，而RG的不對(duì)稱分裂會(huì)形成更多的組細(xì)胞從而影響皮層厚度。那么如果盡可能多的擴(kuò)大干細(xì)胞池，大腦的表面積是不是會(huì)變得更大呢？  圖2 大腦皮層的發(fā)育 （來自參考文獻(xiàn)[4]） 2021年4月15日，Madeline A. Lancaster的課題組發(fā)表了《An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain》這篇論文，他們使用人類、黑猩猩和大猩猩的大腦類器官作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)了ZEB2及其下游的SHROOM3能夠推遲NE細(xì)胞向RG細(xì)胞轉(zhuǎn)變的過程（圖3），從而進(jìn)一步擴(kuò)大干細(xì)胞池的容量。  圖3 （來自本文解讀文章，詳見原文鏈接） 他們首先優(yōu)化了類器官誘導(dǎo)方法，盡可能統(tǒng)一誘導(dǎo)流程，使三個(gè)物種誘導(dǎo)到相同發(fā)育階段的的大腦類器官有可比性，這也是我認(rèn)為最困難的地方。在誘導(dǎo)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)育早期（Day 3）三種類器官形態(tài)及細(xì)胞結(jié)構(gòu)相似，Day 5和Day10的時(shí)候人類大腦類器官神經(jīng)芽呈現(xiàn)拉長形態(tài)，大猩猩和黑猩猩則都是圓球狀（圖4）。3D成像、免疫熒光染色及定量分析顯示，人類大腦類器官的腔室體積和面積比另外兩個(gè)物種都大。   圖4 人腦類器官神經(jīng)芽的形態(tài)與大猩猩、黑猩猩的不同 （來自本文解讀文章，詳見原文鏈接） 科學(xué)家們嘗試做出各種解釋，最終聚焦于NE細(xì)胞形態(tài)不同這一點(diǎn)。他們用GFP稀疏病毒標(biāo)記祖細(xì)胞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)3天時(shí)，人類和猩猩的NE細(xì)胞都是柱狀形態(tài)；而在誘導(dǎo)5天時(shí)，猩猩的NE細(xì)胞變?yōu)閮深^細(xì)、中間寬的錐形，而人類NE細(xì)胞仍為柱狀。使用高分辨率共聚焦成像對(duì)響應(yīng)類器官進(jìn)行成像后，結(jié)果顯示人類NE細(xì)胞在第8天時(shí)才開始出現(xiàn)響應(yīng)的形態(tài)變化，誘導(dǎo)10天時(shí)與猩猩們的NE細(xì)胞形態(tài)變化一致（研究人員把這種從NE細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)镽G細(xì)胞的變化狀態(tài)稱為tNE細(xì)胞）（圖5）。   圖5 人類和靈長類動(dòng)物tNE細(xì)胞的形態(tài)變化在不同時(shí)間點(diǎn)存在差異 （來自本文解讀文章，詳見原文鏈接） 細(xì)胞形態(tài)與細(xì)胞周期息息相關(guān)，科研人員使用活體成像觀測到，人類大腦NE細(xì)胞向上遷移速度較大猩猩和黑猩猩慢，且NE細(xì)胞分裂周期較短，從而在人類大腦發(fā)育早期NE細(xì)胞可以分裂更多，正如上面所說，干細(xì)胞池不斷擴(kuò)大，在后期發(fā)育過程中大腦體積及表面積不斷增大，從而擁有更多的神經(jīng)元。（詳見圖3） 為了進(jìn)一步挖掘NE細(xì)胞形態(tài)變化背后的信息，研究人員挑選了不同時(shí)間點(diǎn)的三個(gè)物種的大腦類器官樣本進(jìn)行了大量的單細(xì)胞測序分析。他們發(fā)現(xiàn)，大部分情況下人類、大猩猩和黑猩猩在相同時(shí)間點(diǎn)的類器官基因表達(dá)相似，而在誘導(dǎo)第5、10和25天的時(shí)候基因表達(dá)出現(xiàn)差異（圖6）（這也是后面科研人員重點(diǎn)關(guān)注的NE細(xì)胞向RG細(xì)胞轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)）。進(jìn)一步探究其差異表達(dá)基因，他們發(fā)現(xiàn)了SHROOM3基因（介導(dǎo)肌動(dòng)蛋白使NE細(xì)胞頂端收縮）和一群與上皮間質(zhì)化相關(guān)的基因（epithelial-mesenchymal transition, EMT：胚胎發(fā)育過程中上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化成間質(zhì)細(xì)胞的過程，而這過程皮層發(fā)育中NE細(xì)胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元的特征類似）。  圖6 人類、大猩猩和黑猩猩類器官基因表達(dá)的差異 （來自本文解讀文章，詳見原文鏈接） SHROOM3免疫染色僅出現(xiàn)在誘導(dǎo)第5天的猩猩NE細(xì)胞中，而在誘導(dǎo)10天時(shí)人類和猩猩的NE細(xì)胞中均出現(xiàn)染色信號(hào)（與前文觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致）；在分析EMT相關(guān)基因的過程中，研究人員的目光一下子聚焦于ZEB2（主要調(diào)控EMT的上游因子），對(duì)猩猩大腦類器官進(jìn)行mRNA表達(dá)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)ZEB2的mRNA表達(dá)在誘導(dǎo)5天時(shí)達(dá)到峰值，而在人類大腦是誘導(dǎo)10天達(dá)峰值，與上文成像結(jié)果完全一致。與ZEB2達(dá)峰值相伴的還有CDH1（細(xì)胞粘附蛋白）和EpCAM下調(diào)以及Vimentin（RG細(xì)胞和EMT過程標(biāo)記物）上調(diào)（圖7）。通過免疫染色他們還發(fā)現(xiàn)，ZEB2只在tNE細(xì)胞中存在，完全轉(zhuǎn)變的RG細(xì)胞內(nèi)不存在。  圖7 驗(yàn)證ZEB2基因的關(guān)鍵作用 （來自本文解讀文章，詳見原文鏈接） 為了證明ZEB2起到的關(guān)鍵作用，研究人員使用CRISPR技術(shù)敲掉一個(gè)ZEB2基因制作了一批ZEB2雜合子類器官（ZEB2純合子無法存活），觀察到ZEB2雜合子人類大腦類器官神經(jīng)芽體積更大，但是推遲的NE細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程又導(dǎo)致神經(jīng)元發(fā)育遲滯；同時(shí)又使用四環(huán)素誘導(dǎo)過表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行ZEB2過表達(dá)，培養(yǎng)出來的大腦類器官神經(jīng)芽體積變小，與ZEB2基因KD的結(jié)果相反（圖8）。 圖8 ZEB2基因表達(dá)的上調(diào)或下調(diào)，會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)芽體積的減小或增大 （來自本文解讀文章，詳見原文鏈接） 上文已經(jīng)提到，第5、第10天是兩個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)，也就是說ZEB2很可能是在這兩個(gè)時(shí)間表達(dá)出現(xiàn)差異導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)的差異。于是最后研究人員使用上面的四環(huán)素誘導(dǎo)過表達(dá)系統(tǒng)使ZEB2提早表達(dá)，發(fā)現(xiàn)NE細(xì)胞的發(fā)育轉(zhuǎn)化過程、SHROOM3的表達(dá)及大腦類器官的體積與猩猩的模式一致；與之相反，研究人員為了推遲猩猩大腦類器官中ZEB2的表達(dá)，使用BMP4激活SMAD信號(hào)（ZEB2也會(huì)通過抑制SMAD信號(hào)從而抑制EMT過程），從而能夠誘導(dǎo)大猩猩大腦NE細(xì)胞形態(tài)與人類相似（圖9）。 圖9 已明確的tNE細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程中的通路 （來自本文解讀文章，詳見原文鏈接） 【總結(jié)】 單單一個(gè)ZEB2基因在不同時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)，就能造成人類和猩猩大腦進(jìn)化這么大的差別，雖然ZEB2的上游調(diào)控還不為人知，但是光是可以做到人類大腦“猩猩化”，猩猩大腦“人類化”，就已經(jīng)是一件令人興奮的事情了?。?/p> 不過這僅僅是用類器官進(jìn)行的模擬，物種大腦發(fā)育真的能只憑借一個(gè)基因的表達(dá)時(shí)間早晚就改變后續(xù)命運(yùn)嗎？憑借單細(xì)胞測序就可以完全區(qū)分猩猩和人類大腦了嗎？就算真的能在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上把猩猩大腦“人類化”，那神經(jīng)元的數(shù)量、突觸的形成、大腦高級(jí)功能的獲得，這些都能實(shí)現(xiàn)“人類化”嗎？這些后續(xù)情況都無法得知。 目前只通過一個(gè)基因來實(shí)現(xiàn)大腦跨物種發(fā)育還很難，看來沒這么容易變成“猩猩”大腦了，我松了一口氣…… （圖片源自網(wǎng)絡(luò)） 【原文鏈接】 Silvia Benito-Kwiecinski, 1,6 Stefano L. Giandomenico, et al. An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain. Cell. 2021 Apr 15;184(8):2084-2102.e19. DOI: 10.1016/j.cell.2021.02.050. https://www./science/article/pii/S0092867421002397?via%3Dihub 【參考文獻(xiàn)】 [1] Sousa, A.M.M., Meyer, K.A., Santpere, G., Gulden, F.O., and Sestan, N. (2017). Evolution of the Human Nervous System Function, Structure, and Development. Cell 170, 226–247. [2] Herculano-Houzel, S. (2012). The remarkable, yet not extraordinary, human brain as a scaled-up primate brain and its associated cost. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109 (Suppl 1), 10661–10668. [3] Donahue, C.J., Glasser, M.F., Preuss, T.M., Rilling, J.K., and Van Essen, D.C. (2018). Quantitative assessment of prefrontal cortex in humans relative to nonhuman primates. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 115, E5183–E5192. [4] Rakic, P. (2007). The radial edifice of cortical architecture: from neuronal silhouettes to genetic engineering. Brain Res. Brain Res. 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