科学家将尼安德特人的基因插入实验室培养的“迷你大脑”

科学家们利用基因编辑技术来取代现代基因在神经发育和其祖先在尼安德特人表达/丹尼索瓦人的数量。表达的基因被大脑瀑样研究其功能。这项研究结果发表在《华尔街日报》科学——让我们更近一步了解现代人类大脑是如何进化的。

古代DNA序列的能力从化石中提取与特殊天赋人性洞察我们的祖先的分子生物学。我们可以研究尼安德特人和丹尼索瓦人吃什么,住在哪里,以及他们如何花费他们的时间。

但不是很美妙的探查他们的大脑吗?了解他们的神经硬接线比较我们自己的?探索现代人类大脑是如何进化成今天的复杂和精密的机械?实际上,有许多神经科学领域的重大进展在过去的几十年里但魔法古老的大脑组织的存在不是其中之一。软材料不变成化石,所以他们不能学习。

但我们可以编辑遗传密码,谢谢CRISPR-Cas9基因编辑技术。我们也可以在实验室模型脑组织盘使用大脑瀑样——有时被称为“迷你大脑”——是由诱导多能干细胞(万能)。

为首的一组科学家Cleber特鲁希略,前加州大学圣地亚哥分校的研究员(UCSD),利用这些科学进步,解决长期存在的问题“是什么让我们人类?”通过研究一种古老的基因在神经发育的作用。

有什么特别的吗NOVA1吗?

之间有61个基因不同智人和尼安德特人/丹尼索瓦人, Alysson Muotri 部门的教授,儿科和加州大学圣地亚哥分校的细胞和分子医学研究的通讯作者,解释道。为目的的实验,科学家们集中在一个特定的基因:NOVA1。

”NOVA1是唯一在早期大脑发育基因活跃,一直以前与神经疾病和发展中神经系统,主调节器”Muotri说。这类基因获得称号“主基因”,因为他们住在基因调控的层次结构,控制通过可变剪接数以百计的下游基因的表达。

的古老的形式NOVA1现代等位基因的基因是不同的,因为它拥有一个单核苷酸替换在200位置,从而导致一个氨基酸异亮氨酸,缬氨酸的变化。科学家们想要研究这个替换的功能意义。“我们希望编目的基因组变化构成了现代人类的大脑,“Muotri说。”我们的假设是,在进化过程中,一个关键的突变,给我们带来了优势,让我们的物种幸存下来的其他人类不了。”

工具箱小说的科学技术

科学家们利用CRISPR-Cas9技术插入的古老的变体NOVA1到基因组的细胞则来源于两个人类个体。表达的基因通过基因测序证实,和不相干的编辑,一个共同的限制使用CRISPR-Cas9基因编辑——寻找。接下来,功能性皮质瀑样来自iPSC细胞系。控制措施,产生皮质瀑样也表达了现代变体。

在大脑瀑样作为研究工具的出现,Muotri说,“大脑瀑样模仿人类大脑的发展几个方面,包括基因表达、细胞类型和最近,有组织的神经活动。”

大脑瀑样不是一个完美的模型。他们限制包括体积小,缺乏血管化和事实上他们不是物理上连接到一个身体。“然而,还原论者也有优势;它甚至允许我们确定微妙的改变更具体地说,“Muotri强调。

研究人员收集和测序RNA皮质瀑样在两个时间点- 1和2个月的开发研究基因表达的差异是否能被检测出来。比较皮质的古老的等位基因纯合的瀑样瀑样,为现代人的等位基因纯合,他们发现了277个差异表达基因,其中许多是被认为与神经发育的不同阶段。

“因为我们不能尝试住人类胚胎,我们需要一个模型来重建大脑在子宫外,“——Muotri。

“这些下游基因涉及的几个突触连接,“Muotri说。一个例子是 HOMER3基因 编码,荷马蛋白家族中的一员在突触后密度。

科学家们还探讨了如何连接不同的瀑样形成的神经元,发现archealized瀑样比带着现代成熟更快NOVA1等位基因。这是一个关键发现的研究,因为它意味着现代NOVA1等位基因可能减缓神经发育。“通过神经发育缓慢,我们的大脑可能实现更高层次的复杂性,“Muotri解释说,他还指出,这可能是进化的权衡:“我们需要照顾好我们的婴儿,直到他们变得独立,因此,他们将开发更复杂的大脑。婴儿黑猩猩可以比人类大脑,但是它没有达到相同的复杂性。这是适用于大多数物种。在这个意义上说我们人类是局外人。”

神经表型的进化的一个重要事件

集体研究结果使研究人员假设基因的变化NOVA1是一个重要的事件在神经表型进化的人类。因此,它需要进一步的研究。“我们希望进一步调查这一假设。神经网络在古老的大脑瀑样适应性比现代人类瀑样吗?我们可以通过刺激这些瀑样使用机器接口。我们将挑战这些网络解决简单问题,揭示了一层复杂性,我们可以没有调查这些实验正在进行,”Muotri说。

强调研究的局限性,指出Muotri CRISPR可导致细胞的基因组,无意改变,重要的是要注意这种可能性。此外,大脑瀑样的限制意味着比较成年人脑推断。

在加利福尼亚大学圣迭戈分校(UCSD)的一个新的Archealization中心将进一步这项工作。

Alysson Muotri莫莉坎贝尔说,科学技术网络作家。188金宝搏备用

参考:特鲁希略CA,大米,Schaefer NK, et al .陈旧的变体的重新引入NOVA1在皮质瀑样改变神经发育。科学。2021,371 (6530)。doi:10.1126 / science.aax2537。