加州大學聖塔芭芭拉分校的 Soojin Yi 教授及其同事旨在確定與黑猩猩相比，不同類型腦細胞中的基因是如何進化的。他們發現，雖然我們的基因編碼的蛋白質幾乎與其他猿類相同，但我們的許多基因比其他靈長類動物的基因生產力更高。
與非人類靈長類動物大腦相比，人類大腦中的差異基因表達是人類進化的一個關鍵分子特徵。喬西等人。研究表明，人腦的差異基因表達包含高度不同的細胞類型特異性變化。儘管存在這樣的細胞多樣性，人類腦細胞的基因表達普遍增加而不是減少。作者揭示了在不同細胞類型中經歷差異表達的特定功能程序以及與此類變化相關的基因組和表觀基因組特徵。
當科學家開始了解基因組作為生命藍圖的作用時，他們認為人類基因組也許可以解釋我們獨特的特徵。
但 2005 年與黑猩猩的徹底比較顯示，我們有 99% 的基因是相同的——儘管科學家後來修改了這個數字。
這證實了早期基於少量基因的研究，這些研究表明人類和黑猩猩基因組之間只有很小的差異。
現在生物學家懷疑基因表達可能是這些差異的根源。考慮一隻帝王蝶。成蟲具有與毛毛蟲時相同的基因組。這兩個生命階段之間令人難以置信的差異都歸結為基因表達。打開和關閉不同的基因，或者讓它們編碼或多或少的 mRNA，可以極大地改變生物體的特徵。
獲得更清晰的圖片
此前的研究發現人類和黑猩猩之間的基因表達存在差異，並且人類細胞往往具有更高的基因表達，但圖片還很模糊。
大腦由多種細胞組成。
傳統上，科學家將腦細胞分為兩種主要類型：神經元和神經膠質細胞。
神經元攜帶電化學信號，有點像建築物中的銅線。
膠質細胞執行大部分其他功能，例如絕緣電線、支撐結構和清除碎片。
直到最近，科學家們只能研究由許多不同類型的細胞組成的大量組織樣本。但在過去的十年裡，一次檢測一個細胞核已經成為可能。
這使得研究人員能夠區分細胞類型，甚至通常是亞型。
易教授和合著者使用具有非常窄通道的設備生成的數據集，將每個核分成陣列中自己的室。
然後他們在進行統計分析之前按類型對細胞進行分組
他們通過觀察人類、黑猩猩和獼猴中特定基因產生的 mRNA 量來測量基因表達。
與其他物種相比，上調的基因在特定物種中產生更多的 mRNA，而下調的基因產生的 mRNA 較少。
通過將黑猩猩和人類與獼猴進行比較，研究人員能夠判斷這兩種猿之間的差異何時是由於黑猩猩的變化、人類的變化或兩者兼而有之。
作者記錄了研究中 25,000 個基因中約 5-10% 的表達差異。
一般來說，與黑猩猩相比，人類細胞上調的基因更多。
這個比例比研究人員無法按細胞類型進行分析時發現的要高得多。當作者開始考慮細胞亞型時，這一比例增長到 12-15%。
“現在我們可以看到單個細胞類型有自己的進化路徑，變得非常專業，”易教授說。
不僅僅是神經元
我們的神經通路的複雜性在動物王國中是無與倫比的。然而，研究人員懷疑我們獨特的智力並不是其本身的結果。
人類神經膠質細胞占我們大腦細胞的一半以上，這個比例甚至比黑猩猩還要高。
在神經膠質細胞中，少突膠質細胞的基因表達差異最大。這些細胞形成覆蓋神經元的絕緣層，使它們的電信號能夠更快、更有效地傳播。
在去年發表的一項合作研究中，科學家們觀察到，與黑猩猩相比，人類的前體少突膠質細胞與成熟少突膠質細胞的比例更高。
他們懷疑這可能與人類大腦驚人的神經可塑性和緩慢的發育有關。
“我們的神經網絡複雜性的增加可能並不是單獨進化的，”易教授說。
“除非所有其他細胞類型也進化並實現神經元多樣性、神經元數量和網絡複雜性的擴展，否則它不可能存在。”
這發現發表於美國國家科學院院刊。
_____
丹尼斯·喬希等人。 2024. 加速人腦細胞類型特異性調節進化。美國國家科學院院刊121（52）：e2411918121； DOI：10.1073/pnas.2411918121
本文改編自加州大學聖巴巴拉分校的原始版本。
