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这篇综述聚焦人类进化中 CMP-N - 乙酰神经氨酸羟化酶（CMAH）基因失活及 N - 羟乙酰神经氨酸（Neu5Gc）缺乏。阐述其对大脑进化的影响，涉及 Neu5Gc 在脑内的吸收代谢、免疫损伤，与神经疾病的关联，为探究人类大脑进化提供了新视角。
人类进化中基因变化与 CMAH 基因失活
在人类进化历程里，基因变化复杂多样。部分基因因环境或生殖选择发生突变、缺失或沉默，而多数基因因适应性得以保留。例如，某些基因与现代人类的抑郁症、尼古丁成瘾等遗传疾病相关。同时，一些基因的消失影响着人类的代谢、免疫系统、神经系统，甚至智力和衰老。
约 280 万年前，CMP-N - 乙酰神经氨酸羟化酶（CMAH）基因发生失活突变。这一突变是由于 CMAH 序列中 92-bp 的缺失，导致提前出现终止密码子，使酶功能丧失。此后，人类只能合成 N - 乙酰神经氨酸（Neu5Ac），无法将其修饰为 N - 羟乙酰神经氨酸（Neu5Gc），而大猩猩和古代原始人类却可以。
CMAH 基因失活并非人类特有现象。其他哺乳动物，如部分灵长类、蝙蝠和齿鲸，也因外显子缺失、提前终止密码子或移码突变，失去了合成 Neu5Gc 的能力。这表明内源性 Neu5Gc 的缺失和抗 Neu5Gc 抗体的产生可能是自然选择的结果，具有适应性意义。一种解释是，这些突变使人类祖先能够抵抗病原体感染。例如，人类祖先通过消除 Neu5Gc 的合成，避免了非人类灵长类疟疾（NHH 疟疾）的感染，因为这种病原体偏好结合 Neu5Ac 及其衍生物。虽然后来出现了偏好结合人类富含 Neu5Ac 红细胞的疟原虫（人类恶性疟原虫疟疾），但这也解释了不同疟疾寄生虫对 Sia 结合偏好的差异。
另一种关于 CMAH 基因失活的解释与生殖兼容性有关。在具有正常 CMAH 基因功能的雄性小鼠（CMAH(-/+)或 CMAH(+/+)）精子中，Neu5Gc 会由高度唾液酸化的糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定蛋白（如 CD52）携带。而 CMAH 基因功能失活的雌性小鼠（CMAH(-/-)）生殖道中会产生抗 Neu5Gc 抗体，该抗体与携带 Neu5Gc 的精子结合，引发免疫反应，导致大部分精子被子宫免疫细胞破坏，严重降低生育能力。这种生殖异种免疫会促使 CMAH(-)等位基因在种群中的频率上升并固定下来。
Neu5Gc 的吸收与代谢
由于 CMAH 基因失活，人类自身无法合成 Neu5Gc，但在人体细胞中仍能检测到微量 Neu5Gc。这是因为外源性 Neu5Gc 可进入人体组织，其主要膳食来源包括红肉和乳制品。
人体代谢系统无法区分 Neu5Gc 和 Neu5Ac，会将外源性 Neu5Gc 识别为 Neu5Ac。Neu5Gc 进入人体的过程如下：首先，在肠道中，游离的 Neu5Gc 通过内吞作用被吸收，结合形式的 Neu5Gc 则由溶酶体唾液酸酶释放。然后，Neu5Gc 经唾液酸转运蛋白运输到细胞质，并在细胞核中被激活为 CMP-Neu5Gc。最后，CMP-Neu5Gc 通过唾液酸转运蛋白进入高尔基体，在唾液酸转移酶的作用下，被转移到新合成的糖结合物上，最终表达在细胞表面。进入人体的外源性 Neu5Gc，一部分会整合到糖苷中，游离形式的 Neu5Gc 则会被肠道微生物利用或经肾脏迅速随尿液排出。此外，人体细胞中还存在将 Neu5Gc 转化为 N - 羟乙酰甘露糖胺、N - 羟乙酰葡萄糖胺，最终转化为 N - 羟乙酰葡萄糖胺 6 - 磷酸的酶机制。N - 羟乙酰葡萄糖胺 6 - 磷酸经不可逆去 N - 糖基化形成普遍存在的代谢物葡萄糖胺 6 - 磷酸（GlcNH26-P），它可进一步转化为果糖 6 - 磷酸、葡萄糖 6 - 磷酸和乙醇酸，进入糖酵解途径，最终进入柠檬酸循环，从而维持外源性 Neu5Gc 在健康水平。
Neu5Gc 对人类大脑的免疫损伤
Neu5Gc 具有独特的性质，其来源于饮食，单体本身具有抗原性，且在人类细胞表面丰富表达。因此，它的缺乏或异常积累可能在人体内引发广泛的免疫反应。人类免疫系统能够识别 Neu5Gc，在临床试验中，人体含有不同水平和类型的循环 Neu5Gc 特异性免疫球蛋白。人类抗 Neu5Gc 抗体与 Neu5Gc 相互作用，会促进慢性炎症，最终导致多种人类疾病的发生和发展。
通过对啮齿动物和新生猪口服和静脉注射放射性标记的唾液酸（Sia）研究发现，外源性 Sia 能够穿过血脑屏障（BBB），并整合到大脑不同区域的 Sia - 糖结合物中。由此推断，饮食来源的 Sia 首先进入血液，然后通过扩散或蛋白质受体介导的过程穿过血脑屏障。在大脑中，饮食中的 Neu5Gc 可整合到中枢神经系统（CNS）的重要区域，如血脑屏障和轴突 - 髓鞘单位，成为抗 Neu5Gc 抗体的靶标，导致血脑屏障通透性改变和轴突 - 髓鞘耦合不稳定。
正常情况下，大脑通过血脑屏障与身体其他部位隔离，具有免疫特权。然而，在某些病理情况下，血脑屏障的完整性会受到破坏，通透性增加，使得外周和中枢免疫系统得以沟通。炎症是影响血脑屏障结构和功能的主要因素，外周慢性炎症分泌到血液中的生物介质可能会损伤血脑屏障，引发中枢神经系统疾病。受损的血脑屏障会使其他系统性髓样细胞进入中枢神经系统，从而加剧脑部炎症。在持续炎症性神经退行性变的动物模型中，可观察到神经退行性变增加。此外，外周和中枢免疫系统还可通过神经传递相互作用。啮齿动物模型表明，迷走神经能够将身体的炎症状态信息传递给大脑，在持续的外周炎症情况下，会增加大脑细胞因子的水平。促炎细胞因子会激活神经胶质细胞和血管周围巨噬细胞，引发或促进神经炎症。增强的神经炎症会促进多种常见神经系统疾病的发展，主要包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病和多发性硬化症（MS）。
Neu5Gc 对大脑正常生理功能的影响
Neu5Ac 在大脑发育中起着至关重要的作用。它参与神经节苷脂 GM1 和聚唾液酸（polySia，PSA）的形成，这些物质参与神经元的分化、生长和再生，支持突触传递，从而影响学习和认知能力。在学习和认知过程中，神经元需要在大脑中快速交换大量信息，这离不开神经元之间的突触相互作用。新突触的形成是学习的标志，而人体中的 Sia，主要是 Neu5Ac，对于突触形成至关重要。在小鼠模型中，孕期外源性补充 Neu5Ac 可增加后代小鼠大脑皮层和海马体（参与学习和记忆的脑区）中 Neu5Ac 的水平，使后代小鼠在学习和认知实验中表现更好。此外，如果编码 Neu5Ac 合酶的基因 N - 乙酰神经氨酸合酶（NANS）发生突变，婴儿会出现严重的发育迟缓，这表明内源性 Neu5Ac 的合成对大脑发育至关重要。然而，在出生后直接给后代小鼠外源性 Neu5Ac，其学习和认知能力并不会提高，这可能是因为大脑发育具有时间依赖性，一旦大脑生长高峰期过去，就难以重新启动，这会对成年后的认知功能产生重大影响，且 Neu5Ac 的合成和运输主要在大脑快速发育的早期阶段发挥作用。
观察和临床研究表明，富含红肉的饮食会增加神经退行性疾病的风险。从分子层面来看，这可能是因为饮食中 Neu5Gc 的摄入会破坏 Neu5Ac 的正常生理功能。神经细胞粘附分子（NCAM）是 Neu5Ac 在大脑中发挥功能的重要分子，PSA-NCAM 作为大脑可塑性的调节因子，可促进神经损伤后的修复和再生。PSA 缺乏会导致小鼠出现严重的神经表型，如神经元网络连接缺陷、神经元和神经胶质细胞定位异常以及神经胶质细胞分化异常，而通过耗尽 NCAM 可缓解这些表型，这表明 Neu5Ac 与 NCAM 密切相关，在正常生理功能中起着重要作用。此外，PSA 可结合脑源性神经营养因子（BDNF）等神经营养因子，结合多聚唾液酸的 BDNF 能够结合并激活其受体。然而，有研究报道，Neu5Gc 的存在会影响内源性唾液酸酶 Neu1 对 PSA 的降解，抑制 Neu1 诱导的 BDNF 相关释放。
饮食中的 Neu5Gc 和循环中的抗 Neu5Gc 抗体可能在中枢和外周神经系统中相互作用，影响中枢神经系统疾病的发生和发展，这表明高 Neu5Gc 饮食可能是中枢神经系统疾病中一个被忽视的环境风险因素。MS 是中枢神经系统最常见的脱髓鞘疾病，其发病机制由多种因素引起。有趣的是，这种疾病似乎只在人类中出现，而在黑猩猩中未发现。有一种观点认为，饮食中的 Neu5Gc 进入神经系统，由于其是一种异种抗原，免疫系统会产生抗 Neu5Gc 抗体。这些循环抗体可能会破坏中枢神经系统中的血脑屏障、髓鞘、轴突等结构，使中枢神经系统环境不稳定，从而增加 MS 的发病风险。目前的研究表明，MS 中的中枢神经系统损伤主要由免疫因素引起。传染性单核细胞增多症（IMN）的初次感染可能会损害血脑屏障的完整性，在此期间抗 Neu5GC 抗体增加，这与血脑屏障受损的观点一致。此外，Boligan 等人发现，在 MS 患者的病变部位可观察到 IgG 沉积，且 MS 患者血清和脑脊液中的 IgG 抗体对 Neu5Gc 和 Neu5Ac 的反应性增加。值得注意的是，在这项研究中发现个体患者中 IgG 对 Neu5Gc 和 Neu5Ac 的反应性存在高度重叠。由于 Neu5Gc 和 Neu5Ac 在结构上高度相似，仅相差一个氧原子，因此有理由怀疑这种 IgG 反应性增加可能是由交叉免疫反应引起的。
Neu5Gc 与大脑功能
大脑神经节苷脂和 Neu5Ac 在细胞间相互作用、神经元生长、突触连接修饰和记忆形成中起着关键作用。然而，在大脑中积累的 Neu5Gc 与 Neu5Ac 仅相差一个氧原子，却会导致异常的唾液酸化。具有异常大脑唾液酸化的小鼠会出现髓鞘畸形，主要髓鞘蛋白减少 40%，有髓轴突减少 30%，髓鞘厚度减少 33%，朗飞氏结分子结构被破坏。此外，这些小鼠还表现出运动协调能力受损、步态障碍和严重的认知障碍。由于 Neu5Gc 在人类中无法合成且能诱导免疫反应，其存在对于控制复杂糖蛋白的唾液酸化至关重要。研究发现，通过给细胞喂食外源性游离 Sia（Neu5Ac、Neu5Gc）和唾液酸酶抑制剂来调节巨噬细胞的 Sia 状态，并检测其对细胞力学和功能的影响，结果表明过度激活的小胶质细胞对神经元和突触的吞噬作用可能导致神经退行性疾病，而神经元细胞表面的高唾液酸化会抑制小胶质细胞对这些神经元的吞噬作用。Neu5Gc 修饰的转铁蛋白会加剧铁负荷相关的淀粉样 β 细胞毒性，而 Neu5Ac 修饰的转铁蛋白则可缓解这种毒性。
近期《科学》杂志指出，大脑功能的关键在于不同脑区之间的沟通，即大脑连接性。在人类皮层中，兴奋 - 兴奋突触动力学与小鼠皮层不同，且会随着第二层和第三层的深度而变化。如果连接不能正常发挥作用，大脑功能将受到极大影响。婴儿神经发育的早期阶段对于建立神经结构和突触连接至关重要，母乳中富含 Neu5Ac，符合婴儿大脑快速发育的需求。富含 Sia 的饮食可增加新生仔猪大脑中 Sia 的水平，提高学习相关基因的表达水平，增强学习和记忆能力。研究合成的 Neu5Ac 和 Neu5Gc 聚合物发现，哺乳动物和细菌唾液酸酶对非还原端 α2 - 8 连接的 Neu5Gc 水解能力较低。含 Neu5Gc 的多聚唾液酸对唾液酸酶的抗性为脊椎动物大脑中 Neu5Gc 水平较低提供了一种可能的解释。研究发现，通过外源性非神经源性 Sia（Neu5Gc）将单个氧原子变化引入多聚唾液酸，会诱导对唾液酸酶 1 介导的多聚唾液酸周转的抗性，并抑制与之相关的脑源性神经营养因子的释放。巨噬细胞表面的 Neu5Gc 可通过抵抗唾液酸酶 1 介导的多聚唾液酸降解来调节吞噬作用和炎症因子的分泌。Neu5Gc 的结合会增加对唾液酸酶的抗性，导致富含 Sia 的细胞功能异常，这可能通过影响神经元表面的 Sia 结构来影响神经元之间的通信速度，进而通过影响大脑连接性来影响行为和认知能力。
人类和黑猩猩在大多数蛋白质中具有超过 99% 的残基同一性，但黑猩猩在平均 22.5 岁时会出现明显的认知灵活性下降，而人类则没有。人类和黑猩猩之间一个罕见的遗传差异是人类特异性的 CMAH 基因失活，该基因可将 Neu5Ac 修饰为 Neu5Gc。Neu5Gc 的异常积累与大脑的衰老和异常发育相关。目前，人类大脑衰老引起的认知功能障碍是生活质量下降的重要原因。Neu5Gc 相关的 Sia 功能障碍可能导致脑组织唾液酸化异常、大脑连接性异常、AD 和记忆力减退。进化上保守的大脑特异性抑制 Neu5Gc 合成可能表明其对大脑有毒性，CMAH 基因的失活突变可能在人类大脑进化中发挥了作用。为了探究在大脑中强制表达 Neu5Gc 的后果，建立了脑特异性 CMAH 转基因小鼠模型。在大脑中过表达 Neu5Gc 会导致小鼠运动活动异常、物体识别记忆受损和轴突髓鞘形成异常。Neu5Gc 在所有乳制品（包括基于乳制品的婴儿配方奶粉）中含量显著，而在人乳中仅含有痕量。食用人乳的婴儿大脑神经节苷脂和糖蛋白 Sia 浓度较高，这表明其突触发生增加，神经发育存在差异。
展望
多项研究表明，Neu5Gc 对大脑功能存在抑制作用。在大脑中过表达 Neu5Gc 会导致异常的运动活动、物体识别记忆受损和轴突髓鞘形成异常；抑制大多数动物大脑中 Neu5Gc 的合成是正常大脑功能的重要前提，且在所有测试的脊椎动物大脑中 Neu5Gc 水平都非常低；人类大脑进化的时间与抑制 Neu5Gc 合成的时间相吻合。目前已知人体中的 Neu5Gc 主要来源于饮食、病毒载体和生物制品，主要包括红肉和乳制品。摄入的 Neu5Gc 大部分经肾脏排出，只有一小部分沉积在心脏、肝脏和肌肉等组织中。虽然目前研究发现人体脑组织和 CMAH(-/-)小鼠脑组织中不存在内源性 Neu5Gc 或其浓度极低，但有研究表明 Neu5Gc 具有很强的突破血脑屏障的能力。鉴于 Neu5Gc 对大脑发育的潜在风险以及人群中 Neu5Gc 摄入和代谢的特点，低 Neu5Gc 饮食（如减少红肉和乳制品的摄入）可能是未来预防人体 Neu5Gc 积累、降低大脑衰老风险的一个潜在研究方向。对于大脑快速发育的新生儿来说，控制乳制品中的 Neu5Gc 含量可能会将 Neu5Gc 对大脑的不良影响降至最低，确保早期大脑发育有一个更好的开端。
