生物信息学习的正确姿势

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撰文｜王聪

编辑｜nagashi

排版｜水成文

众所周知，人类的大脑与体重之比，远超绝大部分动物，人类之所以智力远超其他物种，就是因为人类拥有更大的大脑以及面积更大的大脑皮层。

人类大脑在进化过程中，特别是新皮层的扩张与人类的认知能力（例如推理和语言）密切相关。ARHGAP11B 基因是人类所特有的基因，该基因会促使大脑形成更多的干细胞，这是形成更大的大脑的先决条件。

新皮层是大脑皮层中进化最年轻的部分，人类新皮层比与人类亲缘关系最近的黑猩猩大三倍，在进化过程中，人类大脑新皮层的褶皱数量增加了，以适应头骨的有限空间。科学家面临的一个关键问题是，人类新皮层如何变得如此之大？

近日，国际顶尖学术期刊 Science 杂志发表了来自德国马普所 Wieland Huttner 团队题为：Human-specific ARHGAP11B increases size and folding of primate neocortex in the fetal marmoset 的研究论文。

该研究将人类特异性基因 ARHGAP11B 转入狨猴，发现这些狨猴大脑体积显著增大，新皮层面积和神经元数量也显著增加，该研究表明，人类特异性基因 ARHGAP11B 在人类大脑进化中发挥着重要作用，很可能是人类区别于其他灵长类动物的重要原因。

人类特异性基因的崛起

ARHGAP11B 产生于大约五百万年前，尼安德特人、丹尼索瓦人，以及当今人类均有该基因，而该基因产生时，人类的祖先已与黑猩猩的祖先分开，随着尼安德特人和丹尼索瓦人的灭绝，如今只有人类拥有该基因。

在2016年，该研究团队发现，ARHGAP11B 基因的一个C-to-G的单碱基突变，导致ARHGAP11B 的mRNA丢失55个核苷酸，发生了移码突变，从而产生了具有关键功能的47个氨基酸序列。

也就是说，一个原本常见的单碱基突变，发生在了 ARHGAP11B 基因的特定位点，导致了人类形成了更大更复杂的大脑，最终导致了人类的特异性，影响了人类的进化方向。

该基因在猴子中的作用

到目前为止，尚不清楚人类特异性基因 ARHGAP11B 是否还会在非人类灵长类动物中引起新皮层增大。

为了对此进行研究，Wieland Huttner 团队与位于日本中央实验动物研究所的 Erika Sasaki 及庆应大学的 Hideyuki Okano 合作，他们都是日本非人灵长类动物转基因技术的先驱。

Wieland Huttner 团队在日本与合作者创造了转基因狨猴，这些狨猴在发育的大脑新皮层中表达了人类特异性基因 ARHGAP11B 。

研究团队在日本采集了第101天的狨猴胚胎的大脑（在出生前50天），然后带回德国进行详细分析。

分析结果表明，表达了人类特异性基因 ARHGAP11B 后的狨猴的大脑确实变得更大了，皮质板也变得更厚，大脑皮层上的褶皱也更多，且上层神经元数量也大大增加，这是在灵长类动物进化中增加的神经元类型。

这些研究结果表明，ARHGAP11B 基因引起了灵长类动物新皮层的扩张。

道德上的考量

领导这项研究的 Wieland Huttner 教授表示，研究团队已经预期这个人类特有基因的表达会影响绒猴的大脑新皮层的发育，但是鉴于该基因对狨猴出生后大脑功能不可预见的潜在影响，这项研究在绒猴胚胎阶段就停止了。

研究人员认为，这些结果表明，人类特有的 ARHGAP11B 基因很可能在人类进化过程中导致了大脑新皮层的扩展，从而导致了人类大脑的快速进化。Wieland Huttner 团队的一系列研究让我们距离人类进化的真相越来越近。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.abb2401.full

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