是什么讓現(xiàn)代人類獨一無二，這個問題長期以來一直是研究人員的驅(qū)動力。因此，與我們最親近的親戚尼安德特人進行比較，提供了引人入勝的見解。大腦大小的增加，以及大腦發(fā)育過程中神經(jīng)元的產(chǎn)生，被認為是人類進化過程中認知能力增加的主要因素。然而，雖然尼安德特人和現(xiàn)代人類都發(fā)育出類似大小的大腦，但對于現(xiàn)代人和尼安德特人的大腦在發(fā)育過程中的神經(jīng)元產(chǎn)生是否可能有所不同知之甚少。
來自德累斯頓馬克斯普朗克分子細胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所(MPI-CBG)的研究人員現(xiàn)在表明，蛋白質(zhì)TKTL1的現(xiàn)代人類變體(與尼安德特人變體僅有一個氨基酸不同)增加了現(xiàn)代人大腦中一種類型的腦祖細胞，稱為基底橈側(cè)神經(jīng)膠質(zhì)細胞?；讟锷窠?jīng)膠質(zhì)細胞在發(fā)育中的新皮層中產(chǎn)生大多數(shù)神經(jīng)元，新皮層是大腦中對許多認知能力至關(guān)重要的一部分。由于TKTL1在胎兒人腦額葉中的活性特別高，研究人員得出結(jié)論，TKTL1中的這種單一人類特異性氨基酸取代是現(xiàn)代人類新皮層發(fā)育中額葉中神經(jīng)元產(chǎn)生比尼安德特人更大的基礎(chǔ)。
只有少數(shù)蛋白質(zhì)在現(xiàn)代人類和我們已滅絕的親戚尼安德特人和丹尼索瓦人之間的氨基酸(蛋白質(zhì)的構(gòu)建塊)的序列上存在差異。這些差異對現(xiàn)代人類大腦發(fā)育的生物學(xué)意義在很大程度上是未知的。事實上，現(xiàn)代人類和尼安德特人都有一個大腦，特別是一個大小相似的新皮層，但這種相似的新皮層大小是否意味著相似數(shù)量的神經(jīng)元仍然不清楚。
位于德累斯頓的馬克斯·普朗克分子細胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所(MPI-CBG)創(chuàng)始所長之一維蘭德·哈特納研究小組的最新研究與萊比錫馬克斯普朗克進化人類學(xué)研究所所長斯萬特·派博(Svante Pääbo)和德累斯頓大學(xué)醫(yī)院的波琳·溫伯格及其同事合作進行， 只解決了這個問題。
研究人員專注于這些蛋白質(zhì)中的一種，與尼安德特人相比，幾乎所有現(xiàn)代人都存在單一氨基酸變化，即蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)酮醇酶樣1(TKTL1)。具體來說，在現(xiàn)代人類中，TKTL1在所討論的序列位置含有精氨酸，而在尼安德特人TKTL1中，它是相關(guān)的氨基酸賴氨酸。在胎兒人新皮層中，TKTL1存在于新皮質(zhì)祖細胞中，所有皮質(zhì)神經(jīng)元都從中衍生出來。值得注意的是，TKTL1的水平在額葉的祖細胞中最高。
現(xiàn)代人類TKTL1，但不是尼安德特人TKTL1，導(dǎo)致胚胎小鼠新皮層中有更多的神經(jīng)元
安妮琳·平森(Anneline Pinson)是該研究的主要作者，也是維蘭德·赫特納小組的研究員，她著手研究這種氨基酸變化對新皮層發(fā)育的意義。安妮琳和她的同事們將TKTL1的現(xiàn)代人類或尼安德特人變體引入小鼠胚胎的新皮層。
他們觀察到，基底橈側(cè)神經(jīng)膠質(zhì)細胞，被認為是更大大腦的驅(qū)動力的新皮質(zhì)祖細胞，隨著TKTL1的現(xiàn)代人類變體而增加，而不是尼安德特人的變體。因此，具有現(xiàn)代人類TKTL1的小鼠胚胎的大腦包含更多的神經(jīng)元。
現(xiàn)代人類額葉中更多的神經(jīng)元
在此之后，研究人員探索了這些影響與人類大腦發(fā)育的相關(guān)性。為此，他們用尼安德特人TKTL1的賴氨酸特性取代了現(xiàn)代人類TKTL1中的精氨酸，使用人腦類器官 - 微型器官樣結(jié)構(gòu)，可以從實驗室細胞培養(yǎng)皿中的人類干細胞中生長出來，并且模仿早期人類大腦發(fā)育的各個方面。
“我們發(fā)現(xiàn)，使用TKTL1中的尼安德特型氨基酸，產(chǎn)生的基底橈神經(jīng)膠質(zhì)細胞比現(xiàn)代人型少，因此神經(jīng)元也更少，”Anneline Pinson說。“這向我們表明，即使我們不知道尼安德特人的大腦有多少神經(jīng)元，我們也可以假設(shè)現(xiàn)代人類在大腦額葉中比尼安德特人有更多的神經(jīng)元，其中TKTL1活動最高。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人TKTL1通過新陳代謝的變化起作用，特別是刺激戊糖磷酸途徑，然后增加脂肪酸合成。通過這種方式，現(xiàn)代人TKTL1被認為可以增加某些膜脂質(zhì)的合成，這些脂質(zhì)是產(chǎn)生刺激其增殖的基底橈根膠質(zhì)細胞的漫長過程，從而增加神經(jīng)元的產(chǎn)生。
“這項研究意味著，現(xiàn)代人類在胎兒發(fā)育過程中新皮層神經(jīng)元的產(chǎn)生比尼安德特人更大，特別是在額葉中，”監(jiān)督這項研究的Wieland Huttner總結(jié)道。“人們很容易推測，這促進了與額葉相關(guān)的現(xiàn)代人類認知能力。
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