从功能的角度识别生而为人的关键变化：人类和黑猩猩干细胞遗传依赖性的比较研究

　　一种鉴定近亲物种之间基因用途显著差异的新方法，为人类进化提供了新见解。聚焦于功能分析——筛选基因失活时导致两个物种细胞功能差异的基因，而不是DNA序列或者表达差异，有助于简化物种进化关键基因的研究。

　　

大约700万年前，人类从我们最近的动物亲戚——黑猩猩中分离出来，在进化树上形成了我们自己的分支。从那以后，从进化的角度来看，我们的祖先进化出了使我们成为人类的特征，包括比黑猩猩大得多的大脑和更适合用两只脚走路的身体。这些生理上的差异是由我们DNA水平上的细微变化所支撑的。然而，我们很难分辨出人类和黑猩猩之间众多微小的遗传差异中，哪一个对我们的进化有重要意义。

美国麻省理工学院生物学教授Jonathan Weissman、加州大学旧金山分校助理教授Alex Pollen和研究生Tyler Fair、魏斯曼实验室的博士后Richard She和同事们的一项新研究发表在6月20日的《细胞》(Cell)杂志上，可能为人类和黑猩猩的进化提供了独特的线索，包括人类如何能够长出相对较大的大脑。

研究功能而不是遗传密码

人类和黑猩猩之间只有少部分基因是根本不同的；这两个物种的其余基因通常几乎相同。物种之间的差异通常归结为细胞何时以及如何使用这些几乎相同的基因。然而，这两个物种之间在基因使用上有许多差异，只是其中的一些差异导致了生理特征上的巨大变化。研究人员开发了一种方法来缩小这些影响差异的基因范围。

他们的方法是使用从人类和黑猩猩皮肤样本中提取的干细胞，依赖于Weissman实验室开发的一种名为CRISPR干扰(CRISPRi)的工具。CRISPRi使用一种改良版的CRISPR-Cas9基因编辑系统来有效地关闭单个基因。研究人员使用CRISPRi逐个关闭一组人类干细胞和一组黑猩猩干细胞中的每个基因。然后他们观察细胞是否以正常速度繁殖。如果细胞减慢了繁殖，或者完全停止了繁殖，那么被关闭的基因就被认为是必不可少的：细胞需要激活一种基因——产生一种蛋白质产物——才能茁壮成长。研究人员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并非必不可少的例子，以此来探索人类和黑猩猩细胞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活时细胞功能的差异，而不是观察DNA序列或基因表达的差异，这种方法可以忽略掉似乎不会影响细胞的差异。如果物种之间基因使用的差异在细胞水平上具有巨大的、可测量的影响，那么这可能反映了物种之间在更大的物理尺度上的有意义的差异，因此以这种方式识别的基因可能与人类和黑猩猩进化过程中出现的显著特征有关。

“观察表达变化或DNA序列变化的问题在于，它们有很多，而且它们的功能重要性尚不清楚，”Weissman说，他也是WhiteHead生物医学研究所的成员和霍华德休斯医学研究所的研究员。“这种方法着眼于基因如何相互作用以执行关键生物过程的变化，我们通过这样做看到的是，即使在人类进化的短时间内，细胞也已经发生了根本性的重新布线。”

在CRISPRi实验完成后，Richard She整理了一份基因清单，这些基因在一个物种中似乎是必需的，而在另一个物种中则不是。然后他寻找规律。在实验中发现的75个基因中，有许多在相同的途径中聚集在一起，这意味着这些基因簇参与了相同的生物过程。这正是研究人员希望看到的。基因使用的个别微小变化可能不会产生太大的影响，但当这些变化在相同的生物途径或过程中积累时，它们可以引起物种的实质性变化。当研究人员的方法识别出在相同过程中聚集的基因时，这表明他们的方法是有效的，这些基因可能与人类和黑猩猩的进化有关。

Pollen说:“分离出“使我们成为人类的基因变化”可比作是大海捞针，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，我们知道有很多小影响的突变，总合起来可以解释许多物种的差异。这种新方法使我们能够研究这些总体效应，使我们能够权衡对细胞功能的影响。”

研究人员认为，更大的大脑可能依赖于基因调节细胞分裂的速度

名单上的一组基因引起了研究人员的注意：一组基因对黑猩猩至关重要，但对人类并不重要，它们有助于控制细胞周期，即调节细胞何时以及如何决定分裂。长期以来，人们一直假设细胞周期调节在人类大大脑的进化中发挥了作用。假设是这样的：神经祖细胞是将成为神经元和其他脑细胞的细胞。在成为成熟的脑细胞之前，神经祖细胞会分裂多次以产生更多的细胞。神经祖细胞分裂得越多，大脑最终包含的细胞就越多——因此，大脑就越大。研究人员认为，在人类进化过程中，某些东西发生了变化，使神经祖细胞在细胞周期的非分裂阶段花费的时间更少，可更快地向分裂过渡。这种简单的差异会导致额外的分裂，每一次分裂都可能使脑细胞的最终数量增加一倍。

研究人员发现，与人类神经祖细胞可能会经历更多的分裂，从而产生更大的大脑这一流行假设相一致的是，一些帮助细胞在细胞周期中更快过渡的基因在黑猩猩神经祖细胞中是必不可少的，而在人类细胞中则不是。当黑猩猩神经祖细胞失去这些基因时，它们停留在非分裂阶段，但当人类细胞失去它们时依然可以继续循环和分裂。这些发现表明，人类神经祖细胞可能能够更好地承受压力——比如细胞周期基因的缺失——这将限制细胞分裂的次数，使人类能够产生足够的细胞来构建更大的大脑。

她说:“这个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，事实上，在神经祖细胞的细胞周期调节方式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现有的假设相匹配并扩展时，这真的很令人兴奋。”

研究对象越多，结果越可靠

比较黑猩猩和人类的研究通常只使用每个物种的一个或两个个体的样本，但这项研究使用了6个人类和6个黑猩猩的样本。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，研究人员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。这让他们确信，他们发现的差异确实是物种之间的差异。

研究人员还将他们对黑猩猩和人类的研究结果与猩猩进行了比较，猩猩在我们共同的进化史上更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基因使用的变化最有可能发生在哪里。如果一个基因在黑猩猩和猩猩中都是必不可少的，那么它很可能在这三个物种的共同祖先中也是必不可少的；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。如果同样的基因在人类中不再重要，那么它的作用很可能在人类与黑猩猩分离后发生了变化。利用这一系统，研究人员表明，细胞周期调节的变化发生在人类进化过程中，与它们促进人类大脑扩张的设想一致。

研究人员希望他们的工作不仅能提高我们对人类和黑猩猩进化的理解，而且还能证明CRISPRi方法在研究人类进化和其他人类生物学领域的优势。Weissman和Pollen实验室的研究人员现在正在使用这种方法来更好地了解人类疾病——寻找基因使用的细微差异，这些差异可能是重要特征的基础，例如某人是否有患病的风险，或者他们对药物的反应如何。研究人员预计，他们的方法将使他们能够通过人与人之间许多微小的遗传差异进行分类，从而缩小健康和疾病特征的影响范围，就像这种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。

研究亮点

• CRISPRi筛选揭示了人类和黑猩猩多能干细胞中不同的遗传依赖性
• 特定物种的遗传依赖集中在保守的生物过程上
• CDK2/CCNE1在人类PSC和NPC G1/S进程中不是必需的，但在黑猩猩中是必需的，
• 与黑猩猩和猩猩的多能干细胞相比，人类的细胞周期发生了变化

研究摘要

作者建立了一种比较功能丧失的方法来评估人类细胞是否表现出不同的遗传依赖性。通过在人类和黑猩猩多能干细胞中进行全基因组CRISPR干扰筛选，他们确定了75个对细胞增殖具有物种特异性影响的基因。这些基因包含连贯的过程，包括细胞周期进程和溶酶体信号。人类对CDK2和CCNE1缺失的特异性稳健性在神经祖细胞和脑类器官中持续存在，支持G1期长度假说可作为人类大脑扩张的潜在进化机制。研究结果表明，人类细胞的进化变化重塑了必需基因的格局，并为系统地揭示物种之间潜在的细胞和分子差异建立了一个平台。

论文图解摘要，图片来自论文作者