表调节蛋白:重新定义人类大脑进化的生长因子

一项新的研究发现，一种生长因子，表调节素，对人类新皮层的扩张有重要贡献，增强了我们对人类认知功能独特之处的理解。

　　

是什么让我们成为人类?根据神经生物学家的说法，这是我们的新皮层。大脑的外层富含神经元，让我们进行抽象思维，创造艺术，说复杂的语言。德国德累斯顿理工大学德累斯顿再生治疗中心(CRTD)的Mareike Albert博士领导的一个国际研究小组发现了一个可能导致人类新皮层扩张的新因素。研究结果发表在《EMBO杂志》上。

新皮层是大脑的典型折叠外层，类似于核桃。它负责高级认知功能，如抽象思维、艺术和语言。“新皮层是大脑中最近进化的部分，”CRTD研究小组组长Mareike Albert博士说。“所有哺乳动物都有一个新皮层，但它的大小和复杂程度各不相同。人类和灵长类动物的新皮层有褶皱，而小鼠的新皮层完全光滑，没有任何褶皱。”

人脑的褶皱特性增加了新皮层的表面积。人类的大脑皮层有更多的神经元来支持复杂的认知功能。

驱动新皮层进化的分子机制在很大程度上仍然未知。“哪些基因导致了物种间新皮层大小的差异?”哪些因素促成了人类大脑的扩张?回答这些问题对于理解人类大脑发育和潜在地解决精神健康障碍至关重要，”Albert博士解释说。

大脑类器官的力量

为了寻找影响大脑扩张的因素，阿尔伯特研究小组比较了小鼠和人类正在发育的大脑。“与灵长类动物相比，小鼠的干细胞分裂不那么频繁，也不会产生那么多神经元。另一方面，人类在发育中的大脑中有大量的干细胞。这种高度扩展的干细胞池是神经元数量和大脑大小增加的基础，”Albert博士解释说。

研究小组发现了一种存在于人类身上而不存在于小鼠身上的因素。利用3D细胞培养技术，该小组测试了新发现的因素是否会影响新皮层的扩张。“由于2012年获得诺贝尔奖的研究，任何细胞都有可能变成干细胞。这样的干细胞可以转化成类似于器官(如大脑)的三维组织。人类干细胞使直接研究人体组织的发育和疾病成为可能，”Albert博士解释说。

这些3D大脑培养物，或大脑类器官，在未经训练的眼睛看来可能不像大脑，但它们模拟了发育中大脑的细胞复杂性。“发育中的大脑的大多数细胞类型都存在。它们相互作用，发出信号，排列方式与真正的人类大脑相似，”Albert博士说。

利用3D脑类器官，该小组能够证明一种生长因子，被称为表调节蛋白，确实促进了发育中的大脑中干细胞的分裂和扩张。

CRTD的博士候选人，该研究的主要作者Paula Cubillos说:“知道表调节蛋白驱动人类新皮层干细胞的扩张，我们回顾了编码表调节蛋白的基因，并试图通过进化树来追踪它。这种基因不仅存在于人类，也存在于其他灵长类动物甚至小鼠身上。然而，在发育中的小鼠大脑中不会产生表调节蛋白，因为该基因是永久关闭的，不会被使用。我们很想了解表调节蛋白在人类和其他灵长类动物中的工作方式是否有任何差异。”

研究人员再次转向3D培养技术。利用大猩猩的干细胞，研究人员培育出了大猩猩的类脑器官。“大猩猩是濒危物种。我们对他们的大脑发育知之甚少。由干细胞制成的类器官为研究它们的大脑发育提供了一种完全不与物种相互作用的方法，”Albert博士说。

通过比较表调节蛋白在人类和大猩猩脑类器官中的作用，研究小组发现，在大猩猩脑类器官中添加表调节蛋白可以进一步促进干细胞的增殖。然而，向人脑类器官中添加更多的表调节素并没有产生同样的效果。这可能是因为人类的新皮层已经扩展到了很大的程度。

“与之前确定的因素不同，表调节蛋白似乎并不是人类独有的。相反，生长因子的数量似乎是物种间差异的关键调节因素，”Albert博士总结道。

这项研究不仅促进了我们对人类独特性的理解，而且强调了为动物研究提供道德和非侵入性补充的新技术的重要性。

参考文献:“The growth factor EPIREGULIN promotes basal progenitor cell proliferation in the developing neocortex” by Paula Cubillos, Nora Ditzer, Annika Kolodziejczyk, Gustav Schwenk, Janine Hoffmann, Theresa M Schütze, Razvan P Derihaci, Cahit Birdir, Johannes EM Köllner, Andreas Petzold, Mihail Sarov, Ulrich Martin, Katherine R Long, Pauline Wimberger and Mareike Albert, 21 March 2024, The EMBO Journal.