加州大学圣塔芭芭拉分校的 Soojin Yi 教授及其同事旨在确定与黑猩猩相比，不同类型脑细胞中的基因是如何进化的。他们发现，虽然我们的基因编码的蛋白质几乎与其他猿类相同，但我们的许多基因比其他灵长类动物的基因生产力更高。
与非人类灵长类动物大脑相比，人类大脑中的差异基因表达是人类进化的一个关键分子特征。乔西等人。研究表明，人脑的差异基因表达包含高度不同的细胞类型特异性变化。尽管存在这样的细胞多样性，人类脑细胞的基因表达普遍增加而不是减少。作者揭示了在不同细胞类型中经历差异表达的特定功能程序以及与此类变化相关的基因组和表观基因组特征。
当科学家开始了解基因组作为生命蓝图的作用时，他们认为人类基因组也许可以解释我们独特的特征。
但 2005 年与黑猩猩的彻底比较显示，我们有 99% 的基因是相同的——尽管科学家后来修改了这个数字。
这证实了早期基于少量基因的研究，这些研究表明人类和黑猩猩基因组之间只有很小的差异。
现在生物学家怀疑基因表达可能是这些差异的根源。考虑一只帝王蝶。成虫具有与毛毛虫时相同的基因组。这两个生命阶段之间令人难以置信的差异都归结为基因表达。打开和关闭不同的基因，或者让它们编码或多或少的 mRNA，可以极大地改变生物体的特征。
获得更清晰的图片
此前的研究发现人类和黑猩猩之间的基因表达存在差异，并且人类细胞往往具有更高的基因表达，但图片还很模糊。
大脑由多种细胞组成。
传统上，科学家将脑细胞分为两种主要类型：神经元和神经胶质细胞。
神经元携带电化学信号，有点像建筑物中的铜线。
胶质细胞执行大部分其他功能，例如绝缘电线、支撑结构和清除碎片。
直到最近，科学家们只能研究由许多不同类型的细胞组成的大量组织样本。但在过去的十年里，一次检测一个细胞核已经成为可能。
这使得研究人员能够区分细胞类型，甚至通常是亚型。
易教授和合著者使用具有非常窄通道的设备生成的数据集，将每个核分成阵列中自己的室。
然后他们在进行统计分析之前按类型对细胞进行分组
他们通过观察人类、黑猩猩和猕猴中特定基因产生的 mRNA 量来测量基因表达。
与其他物种相比，上调的基因在特定物种中产生更多的 mRNA，而下调的基因产生的 mRNA 较少。
通过将黑猩猩和人类与猕猴进行比较，研究人员能够判断这两种猿之间的差异何时是由于黑猩猩的变化、人类的变化或两者兼而有之。
作者记录了研究中 25,000 个基因中约 5-10% 的表达差异。
一般来说，与黑猩猩相比，人类细胞上调的基因更多。
这个比例比研究人员无法按细胞类型进行分析时发现的要高得多。当作者开始考虑细胞亚型时，这一比例增长到 12-15%。
“现在我们可以看到单个细胞类型有自己的进化路径，变得非常专业，”易教授说。
不仅仅是神经元
我们的神经通路的复杂性在动物王国中是无与伦比的。然而，研究人员怀疑我们独特的智力并不是其本身的结果。
人类神经胶质细胞占我们大脑细胞的一半以上，这个比例甚至比黑猩猩还要高。
在神经胶质细胞中，少突胶质细胞的基因表达差异最大。这些细胞形成覆盖神经元的绝缘层，使它们的电信号能够更快、更有效地传播。
在去年发表的一项合作研究中，科学家们观察到，与黑猩猩相比，人类的前体少突胶质细胞与成熟少突胶质细胞的比例更高。
他们怀疑这可能与人类大脑惊人的神经可塑性和缓慢的发育有关。
“我们的神经网络复杂性的增加可能并不是单独进化的，”易教授说。
“除非所有其他细胞类型也进化并实现神经元多样性、神经元数量和网络复杂性的扩展，否则它不可能存在。”
这发现发表于美国国家科学院院刊。
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丹尼斯·乔希等人。 2024. 加速人脑细胞类型特异性调节进化。美国国家科学院院刊121（52）：e2411918121； DOI：10.1073/pnas.2411918121
本文改编自加州大学圣巴巴拉分校的原始版本。
