撰文 | 亦
人类与其他灵长类动物在大脑上存在显著差异,特别体现在新皮层的扩展和神经元连接的复杂性增加【1】。尽管之前的研究发现了一些关键基因,如FOXP2【2,3】和NOTCH2NL【4,6】,但大多数人类特异性重复基因尚未被发现或研究。造成以上现象的主要原因是基因组重复区域难以准确组装和分析,导致基因注释缺失和功能研究匮乏。
近日,来自加州大学戴维斯分校的Megan Y. Dennis团队在Cell上发表了文章Human-specific gene expansions contributeto brain evolution。利用首个端粒到端粒(T2T-CHM13)人类基因组,系统鉴定人类特异性复制基因,并解析其在脑进化中的作用。
作者首先基于 T2T-CHM13 基因组,筛选>98% 同源性的片段重复区域(SD98,97.8 Mbp),发现1,793个 SD98 基因(含 698个编码基因),其中 37% 在 GRCh38 中被遗漏或错误注释。而后结合基因注释、拷贝数分析和黑猩猩基因组比对,系统性鉴定人类特异性复制基因,定义 213 个人类特异性/扩增基因家族。为系统性鉴定人类特异性复制基因的变异模式,作者利用k-mer 旁系同源特异性拷贝数分析与古人类基因组做对比,发现13个基因仅存在于智人,15个基因受强纯化选择(皮层神经元迁移和突出形成有关的SRGAP2C),9 个受平衡选择(如T细胞抗原CD8B)。
接下来作者将重复基因变异与神经表型相关联,通过整合GWAS 目录、UK Biobank 和自闭症队列数据,作者鉴定了341个可能与大脑相关表型存在潜在联系的旁系同源基因,其中22个在自闭症患者中发生新生CNVs,18个位于自闭症相关热点的基因在患者中parCN显著异常。为研究人脑发育中重复基因的作用,作者分析了胎儿脑、类器官、神经干细胞等的转录组,发现58%拷贝数受限基因在发育脑表达,显著高于非受限基因。GO分析显示,B-turquoise模块(76个重复基因)调控神经元投射,而C-blue模块富集突触形成基因(如SRGAP2C),与自闭症风险基因共表达。通过建立小鼠和斑马鱼跨物种模型,作者进一步锁定了76个小鼠和41个斑马鱼直系同源基因,发现GPR89B等基因在三物种脑发育中表达模式保守,GPR89B过表达促进神经前体增殖,而FRMPD2B的截短蛋白拮抗全长功能,导致突触信号异常。
随后作者开始解析神经发育候选基因的遗传变异特征及选择信号。通过对144个个体(覆盖5大祖先群体)的13个候选基因家族深度测序,并整合HPRC/HGSVC组装数据,作者发现11个强约束基因(如SRGAP2C)无功能丧失突变,提示其必需性。而其他基因存在选择模式分化,如祖先旁系同源基因(如GPR89A)比衍生基因(如GPR89B)受更强纯化选择,与T细胞免疫调节相关的基因CD8B则被发现在欧洲人群中平衡选择。利用CRISPR敲除技术,作者在斑马鱼双模型中进行了基因功能的验证,证实了GPR89B促进神经前体细胞增殖,而FRMPD2B上调突触信号。进一步的机制解析发现,GPR89B起源于470万年前的GPR89A复制,通过延迟表达延长神经前体增殖期,可能驱动新皮质扩张,与1q21.1缺失/重复导致小头/大头畸形有关。而FRMPD2B是截短蛋白,缺失FERM/KIND域,通过拮抗全长FRMPD2,增强NMDA受体介导的突触可塑性,在出生后表达,避免胎儿期抑制导致的微头畸形。
总的来说,文章提供了最全面的人类复制基因目录,包括213个人类特异性基因家族,1002个旁系同源基因,一些同源基因如CD8B呈现出显著的选择特征。通过群体遗传学分析,发现148个基因家族可能驱动人类大脑进化。并提出GPR89B 剂量效应(促进神经祖细胞增殖)和 FRMPD2B 拮抗模型(改变谷氨酸突触可塑性)为人类大脑扩张的核心机制。文章确立了基因复制作为人类大脑进化的核心驱动力,为神经发育疾病的精准诊疗提供新靶点。
原文链接:
https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.cell.2025.06.037
制版人: 十一
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