在2023年國際意識研究協(xié)會的年會上，神經(jīng)科學(xué)家Christof Koch終于輸?shù)袅似湓?998年與哲學(xué)家David Chalmers立下的賭局：他預(yù)言，到2023年人們一定會發(fā)現(xiàn)大腦神經(jīng)元產(chǎn)生意識的機制。實際上，人類的大腦發(fā)育是通過精確的時空遺傳調(diào)控實現(xiàn)的，其機制在很大程度上仍然難以捉摸。許多大腦發(fā)育過程在哺乳動物中非常保守，經(jīng)典動物模型已經(jīng)幫助人們獲得了許多研究突破，然而進化引入了大量物種特異性的特征，這些特征可能是人類大腦特異的高層次功能的生物學(xué)基礎(chǔ)。

近日，賓夕法尼亞大學(xué)明國莉院士團隊在Nature reviews genetics發(fā)表重要綜述，從人類大腦進化與大腦疾病角度總結(jié)了目前對人類大腦發(fā)育關(guān)鍵步驟的復(fù)雜遺傳調(diào)控的認(rèn)識，并強調(diào)了使用人類多能干細(xì)胞衍生的2D培養(yǎng)物和3D腦類器官來研究人類特異性的特征和疾病機制。此外，還討論了整合新技術(shù)以揭示人類大腦發(fā)育和疾病的遺傳結(jié)構(gòu)的機遇和挑戰(zhàn)。

1. 人類大腦發(fā)育的關(guān)鍵過程

人類大腦的發(fā)育遵循保守的時空模式，同時亦表現(xiàn)出相較于其他哺乳動物而言特異性的特征。大腦發(fā)育始于神經(jīng)胚形成，神經(jīng)板閉合形成神經(jīng)管，隨后分隔為前腦、中腦、后腦。神經(jīng)管內(nèi)壁的神經(jīng)上皮干細(xì)胞（NECs）則轉(zhuǎn)化為放射狀膠質(zhì)細(xì)胞（RGCs），RGCs則分化出中間祖細(xì)胞（IPCs），進而發(fā)生神經(jīng)元遷移、突觸生成、突觸細(xì)化和環(huán)路功能、髓鞘形成等一系列發(fā)育過程（Fig. 1）。

人類大腦發(fā)育在時間和空間上的特異性受到精確的遺傳調(diào)控。人類大腦發(fā)育的關(guān)鍵步驟相較于其他物種均延緩了，這導(dǎo)致了人類的幼態(tài)持續(xù)。例如，NECs的延緩分化導(dǎo)致人類比類人猿具有更顯著的前腦擴張。大腦皮層和其他腦區(qū)的神經(jīng)元也存在延緩分化與成熟，使得神經(jīng)元具有更復(fù)雜的軸突和樹突。在時間上的調(diào)控（延長）使得人類大腦更大的體積、更高的復(fù)雜性、可塑性成為可能。人類大腦發(fā)育在空間上也表現(xiàn)出特異性，得益于外層放射狀膠質(zhì)細(xì)胞（oRGCs），人腦形成更大的、折疊的大腦皮層。

在正向遺傳學(xué)與反向遺傳學(xué)的范式中，大腦發(fā)育的許多知識是基于動物模型獲得的。然而，新興的人類多能干細(xì)胞（hPSC）衍生的模型，包括其2D培養(yǎng)物與3D類器官，正在加速我們對人類大腦發(fā)育在進化和疾病方面的探索，幫助建立從基因到表型的因果關(guān)系（Fig. 2）。

Fig. 1 人類大腦發(fā)育的關(guān)鍵過程

Fig. 2 人類多能干細(xì)胞在大腦發(fā)育研究的應(yīng)用

2. 進化角度的新認(rèn)識

通過跨物種系統(tǒng)發(fā)育及比較基因組學(xué)研究，結(jié)合基于動物模型與hPSC模型的功能測試，研究人員已經(jīng)揭示了人類大腦發(fā)育的不同發(fā)育階段、不同類型細(xì)胞的關(guān)鍵基因、通路及調(diào)控機制。

人類大腦神經(jīng)發(fā)生過程的特異性遺傳調(diào)控。神經(jīng)發(fā)生過程由神經(jīng)干細(xì)胞和祖細(xì)胞介導(dǎo)，受細(xì)胞周期、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號通路等方式調(diào)控。hPSC衍生的腦類器官能夠穩(wěn)健模擬人類大腦的早期發(fā)育，不僅有助于研究經(jīng)典信號通路（例如Notch信號通路）在神經(jīng)發(fā)生過程的作用，還有助于發(fā)現(xiàn)新的遺傳機制（Fig. 3）。例如，通過人類和類人猿的前腦類器官，研究者發(fā)現(xiàn)ZEB2基因編碼一個轉(zhuǎn)錄共抑制子，該轉(zhuǎn)錄共抑制子能夠加快細(xì)胞周期從而延緩NECs到RGCs的轉(zhuǎn)變，促進大腦皮層的擴張。

Fig. 3 人類大腦發(fā)育的特異性基因調(diào)控

人類神經(jīng)元與神經(jīng)環(huán)路發(fā)育的特異性遺傳調(diào)控。借助hPSC衍生的模型，許多介導(dǎo)延緩神經(jīng)元分化和成熟的基因被發(fā)現(xiàn)。例如，編碼轉(zhuǎn)錄因子的GATA3相較于其他靈長類動物在人類成熟中的神經(jīng)元中顯著上調(diào)，并延緩其發(fā)育過程。盡管神經(jīng)元和神經(jīng)環(huán)路發(fā)育過程在哺乳動物中是保守的，但在人體中，更高水平的突觸連接和更長時間的發(fā)育延緩為更強的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了基礎(chǔ)。

3. 小人類腦部疾病

Fig. 4 基于hPSC衍生模型研究大腦發(fā)育的遺傳基礎(chǔ)

關(guān)鍵基因座突變導(dǎo)致的人類大腦發(fā)育失調(diào)可引起神經(jīng)系統(tǒng)與精神疾病。小鼠與hPSC衍生的模型是揭示這些疾病的遺傳機制的有力工具。神經(jīng)胚形成在哺乳動物中十分保守，因此小鼠模型即可用于研究因神經(jīng)管閉合失敗導(dǎo)致的神經(jīng)系統(tǒng)缺陷。

hPSC衍生模型在人類大腦疾病研究中發(fā)揮獨特作用。在小鼠和hPSC衍生的類器官中，研究者發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致頭小畸形的突變涉及眾多基因，包括與中心體功能（例如 ASPM、CDK5RAP2）、DNA損傷反應(yīng)（例如MCPH1）等相關(guān)基因，這些基因突變導(dǎo)致RGCs過早分化或耗盡，從而顯著減小大腦皮層。其中，ASPM等導(dǎo)致人類頭小畸形的基因突變在小鼠模型中僅表現(xiàn)出溫和的大腦尺寸減小，然而在hPSC衍生模型中卻具有穩(wěn)健的表型，證明hPSC模型的獨特作用。

此外，hPSC衍生模型能夠很好地模擬神經(jīng)元遷移異常、神經(jīng)環(huán)路形成受阻等原因?qū)е碌拇竽X疾病，例如無腦回畸形與自閉癥。

4. 機遇與挑戰(zhàn)

測序技術(shù)的突飛猛進帶來了（單細(xì)胞）多組學(xué)的發(fā)展，使得在基因、轉(zhuǎn)錄及表觀遺傳水平建立全面的、高分辨的遺傳圖譜成為可能。隨著基因操縱工具的快速迭代，大規(guī)模多組學(xué)結(jié)合多種動物模型及hPSC衍生的2D、3D模型，正在成為研究人類大腦發(fā)育從基因到表型的因果關(guān)系的新范式。

動物模型與類器官模型的優(yōu)化仍是一個挑戰(zhàn)。一方面，研究大腦高水平的功能（例如認(rèn)知與行為）仍然依賴動物模型；另一方面，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞是高度變異的，因為其生成是從不同病人通過不同方法生成的，需要建立標(biāo)準(zhǔn)化的方法以達到更高的可重現(xiàn)性。類器官模型有待加入更多類型的細(xì)胞以模擬人類大腦。例如，通過共培養(yǎng)方式引入小膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，以及更好的復(fù)現(xiàn)大腦皮層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。此外，大規(guī)模高通量生產(chǎn)類器官亦是發(fā)展趨勢。

總結(jié)

我們對人類大腦的進化與大腦疾病的探究遵循正向分子遺傳學(xué)和反向分子遺傳學(xué)的方法，前者通過跨物種的全基因組關(guān)聯(lián)分析尋找可能的基因變異，后者基于動物模型進行基因操作以建立基因型與表型之間的因果關(guān)系。整合包括人類多能干細(xì)胞衍生的類器官、單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)等多種技術(shù)手段的組合方法，正在加速我們從進化角度理解人類大腦發(fā)育關(guān)鍵步驟的遺傳機制以及對大腦疾病診療的發(fā)展。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41576-023-00626-5

參考文獻

Zhou Y, Song H, Ming GL. Genetics of human brain development [published online ahead of print, 2023 Jul 28]. Nat Rev Genet. 2023;10.1038/s41576-023-00626-5. doi:10.1038/s41576-023-00626-5

編譯作者：張建國（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）






標(biāo)簽：腦科學(xué)