Cell：新研究有助于确定使我们成为人类的基因变化

大约700万年前，人类从我们最接近的动物亲戚黑猩猩那里分离出来，在进化树上形成了我们自己的分支。在此后的时间里---从进化的角度看是短暂的---我们的祖先进化出了使我们成为人类的性状，包括比黑猩猩大得多的大脑和更适合用双脚行走的身体。这些身体上的差异是由我们的DNA水平上的微妙变化所支撑的。然而，在我们和黑猩猩之间的许多微小的基因差异中，很难说哪些对我们的进化有意义。

在一项新的研究中，美国怀特黑德研究所成员Jonathan Weissman、加州大学旧金山分校助理教授Alex Pollen、Weissman实验室博士后Richard She、Pollen实验室研究生Tyler Fair及其同事们利用Weissman实验室开发的前沿工具，将人类和黑猩猩如何依赖某些基因的关键差异的范围缩小了。这一发现可能为人类和黑猩猩如何进化---包括人类如何能够长出相对较大的大脑---提供独特的线索。相关研究结果于2023年6月20日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Comparative landscape of genetic dependencies in human and chimpanzee stem cells”。

研究功能而非遗传密码

人类和黑猩猩之间只有少数几个基因有根本性的不同；这两个物种的其他基因通常几乎是相同的。这两个物种之间的差异往往归结于细胞何时以及如何使用这些几乎相同的基因。然而，这两个物种在基因使用方面的许多差异中，仅其中的一些差异导致了身体性状上的巨大变化。这些作者开发了一种方法来缩小这些有影响的差异的范围。

他们的方法使用由人类和黑猩猩皮肤样本衍生而来的干细胞，依赖于Weissman实验室开发的一种名为CRISPR干扰（CRISPRi）的工具。CRISPRi使用CRISPR/Cas9基因编辑系统的改进版本，有效地关闭单个基因。他们使用CRISPRi在一组人类干细胞和一组黑猩猩干细胞中一次关闭每个基因。

接着，这些作者研究了这些干细胞是否以正常速度增殖。如果这些干细胞不再快速增殖或完全停止，那么被关闭的基因就被认为是细胞茁壮生长所必需的。他们寻找一个基因在一个物种中是必不可少的而在另一个物种中不是必不可少的例子，以此来探索人类和黑猩猩干细胞发挥功能的基本方式是否存在根本差异，以及如何存在根本差异。

通过寻找特定基因失效后细胞功能的差异，而不是寻找DNA序列或基因表达的差异，这种方法忽略了那些似乎不会影响细胞的差异。如果物种之间的基因使用差异在细胞水平上有很大的、可测量的影响，这很可能反映了不同物种之间在更大的物理尺度上的有意义的差异，因此以这种方式确定的基因可能与人类和黑猩猩进化过程中出现的区别性特征有关。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.043。

Weissman说，“观察基因表达变化或DNA序列变化所面临的问题是有很多这样的变化，而且它们的功能重要性并不清楚。这种方法着眼于基因如何相互作用以执行关键的生物过程的变化，我们通过这样做看到的是，即使在人类进化的短时间内，细胞也发生了根本性的重连接。”

在CRISPRi实验完成后，She汇编了一份在一个物种中是必不可少的而在另一个物种中不是必不可少的基因清单。他随后了寻找其中的模式。

在这些实验确定的75个基因中，有许多基因聚集在同一通路中，这意味着这组基因参与了相同的生物过程。这正是这些作者希望看到的。基因使用的较小变化可能不会有太大的影响，但是当这些变化在同一生物通路或过程中积累起来时，它们就会集体地引起物种的实质性变化。当他们的方法确定了聚集在相同过程中的基因时，这向他们表明，他们的方法已经奏效，这些基因很可能参与了人类和黑猩猩的进化。

Pollen说，“分离使我们成为人类的基因变化好比是大海捞针，因为有数百万个基因差异，其中大多数可能对性状的影响微不足道。然而，我们知道有很多较小影响的突变，这些突变加在一起可能解释了许多物种的差异。这种新方法使我们能够研究这些总体效应，使我们能够权衡它们在整体上对细胞功能的影响。”

这些作者认为更大的大脑可能依赖于调控细胞分裂速度的基因

这些作者对这个基因清单上的一组基因印象深刻：一组对黑猩猩来说必不可少但对人类来说并不是必不可少的基因，这些基因有助于控制细胞周期，而细胞周期调节细胞何时以及如何决定进行分裂。长期以来，人们一直假设细胞周期调节在人类大脑的进化中发挥了作用。这个假设是这样的：神经祖细胞是将变成神经元和其他脑细胞的细胞。在成为成熟的脑细胞之前，神经祖细胞会多次分裂以制造更多的自我。神经祖细胞经历的分裂越多，大脑最终包含的细胞就越多，因此，它就越大。

这些作者认为，在人类进化过程中发生的一些变化使神经祖细胞在细胞周期的非分裂阶段花费的时间减少，并更快地过渡到分裂。这种简单的差异将导致额外的分裂，每一次分裂基本上都能使最终的脑细胞数量翻倍。

与人类神经祖细胞可能经历更多的分裂从而导致更大的大脑这一流行的假设相一致，这些作者发现一些帮助细胞在细胞周期中更快过渡的基因在黑猩猩的神经祖细胞中是必不可少的，但在人类细胞中却不是。

当黑猩猩神经祖细胞失去这些基因时，它们会停留在非分裂阶段，但当人类细胞失去这些基因时，它们会继续循环和分裂。这些发现表明人类的神经祖细胞可能更能承受压力---比如细胞周期基因的丧失---这将限制细胞的分裂次数，使人类能够产生足够的细胞来建立更大的大脑。

She说，“这一假设已经存在很长时间了，我认为我们的研究是第一个表明在神经祖细胞中细胞周期的调节方式实际上存在物种差异的研究之一。我们不知道我们的方法会突出哪些基因，当我们看到我们最有力的发现之一与这一现有的假设相匹配并加以扩展时，这真地很令人兴奋。”

更多的受试者导致更有力的结果

将黑猩猩与人类进行比较的研究通常只使用来自每个物种的一或两个个体的样本，但这项研究使用了来自六个人和六只黑猩猩的样本。通过确保他们观察到的模式在每个物种的多个个体中是一致的，这些作者可以避免将个体之间自然发生的遗传变异误认为是整个物种的代表。这使他们能够确信他们所发现的差异确实是不同物种之间的差异。

这些作者还将他们对黑猩猩和人类的研究结果与红毛猩猩进行了比较，红毛猩猩在我们共同的进化历史中较早地从其他物种中分离出来。这使他们能够弄清楚在进化树上哪里最可能发生基因使用的变化。如果一个基因在黑猩猩和红毛猩猩中都是必不可少的，那么它很可能在所有三个物种的共同祖先中都是必不可少的；一种特殊的差异更有可能在一个共同的祖先身上进化过一次，而不是独立进化过多次。如果同一个基因在人类中不再是必需的，那么它的作用很可能在人类从黑猩猩中分裂出来后发生了变化。

利用这种系统，这些作者表明细胞周期调节方式的变化发生在人类进化过程中，这与他们促成人类大脑扩张的提议一致。

这些作者希望他们的研究工作不仅提高了我们对人类和黑猩猩进化的理解，而且还展示了CRISPRi方法在研究人类进化和其他人类生物学领域的优势。Weissman实验室和Pollen实验室的研究人员如今正使用该方法更好地了解人类疾病---寻找基因使用的细微差别，这些差别可能是重要性状的基础，比如某人是否有患病的风险，或者他们如何对药物的反应。

这些作者预计，他们的方法将使他们能够对人与人之间的许多微小的基因差异进行分类，以缩小影响在健康和疾病中性状的范围，就像该方法使他们能够缩小帮助我们成为人类的进化变化的范围一样。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Richard She et al. Comparative landscape of genetic dependencies in human and chimpanzee stem cells. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.043.

2. Researchers focus on function to help identify genetic changes that made us human
https://phys.org/news/2023-06-focus-function-genetic-human.html