科学家用基因工程与实验动物追溯人类进化
科学家将HARE5 增强子插入小鼠胚胎。图片来源：J. LOMAX BOYD 等
2006年，美国加州大学圣克鲁兹分校计算学家宣布，他们瞥见了让人类之所以为人的DNA。他们比较了脊椎动物的基因序列，并设计出一个包含约50个DNA区域的列表，这些区域在许多动物中完全相同，但在人体内发生了变化。该研究小组认为，这些序列的变化对人类进化十分重要，它们让人类拥有大脑袋、直立行走、饮食范围宽泛以及其他成功的特点。
到2008年，有20多个生物信息学研究为该列表添加了数百个独一无二的人类基因序列，而且，对此类基因的追逐持续至今。但近10年后，证实这些DNA序列（基因、调控序列和其他基因元素）塑造人类起源的进展并不大。“我们对人类基因出现的（与进化有关的）特异性变化知道得少得令人汗颜。”北卡罗来纳州杜克大学进化生物学家Greg Wray说，“你可以想象（它们的角色），但这只是其中一部分。”
寻找独特基因
现在，在基因工程和实验鼠的帮助下，研究人员开始查明这些基因如何帮助人类拥有独一无二的特性。若干研究小组通过向老鼠胚胎插入人类DNA获得了线索。但这些研究并未坚持到底。这些研究没有使得老鼠将新的DNA整合到其基因组中，这一步骤有可能评估人类基因序列如何影响一个有机体的解剖学和功能。
不过，通过该努力，Wray和杜克大学发育神经生物学家Debra Silver，观察了人类调控元件HARE5是如何改变小鼠的。研究显示，携带人类HARE5的小鼠胚胎形成的大脑大了12%。“HARE5可以很容易地成为人类大脑如何扩展的重要部分。”俄亥俄州肯特州立大学生物人类学家Mary AnnRaghanti说， “它开辟了关于大脑进化可能性的整个世界。”
对于Wray而言，“最有趣的问题是人类起源”。这一问题诱使他和其他研究人员在10年前就投身该领域。最初，他们比较了人类和小鼠基因，很快又开始寻找人类和其他灵长类动物间有意义的差别。
2005年，华盛顿大学遗传学家Evan Eichler及同事对比了人类和黑猩猩基因组，以寻找人类独有的DNA副本。结果发现，33%的人类所有的DNA不存在于黑猩猩体内。4年后，Eichler研究小组更进一步，确定人类基因拥有名为增强子的额外副本和调节区。
一个名为SRGAP2的基因在黑猩猩体内有一对副本但在人体内有6个副本，这引发了Eichler的兴趣。根据其与原始基因间的差别的数量，最初的副本产生自340万年前，100多万年后，第二个副本出现，并创造了一个具有新功能的更短的基因。
得与失
2012年，哥伦比亚大学神经系统学家Franck Polleux及其同事在《细胞》杂志上报告称，当将其插入老鼠胚胎正在发育的大脑中后，这个更短的基因能引发啮齿动物器官中的细胞迁移得更远，并能生长更多脊椎。
目前，科学家又发现证据显示，另一种人类独有的基因副本也有助于大脑功能的提高。德国马普学会分子细胞生物学与遗传学研究所发育生物学家Wieland Huttner及其同事鉴定了56个人类有多重复本但老鼠完全没有的基因。当他们测量了这些基因在人类胚胎干细胞中的活性后，发现起主要作用的是ARHGAP11A基因的缩短副本，该基因也出现于Eichler的名单上。
Huttner和同事将这个副本插入老鼠胚胎大脑中，结果皮质细胞的数量几乎加倍。而且，有的老鼠大脑还发育出通常只有人类大脑才有的褶皱。该研究小组将相关结论在线发表于《科学》杂志。他们还表示，这个缩短版本的基因被发现于尼安德特人和丹尼索瓦人等古人类体内，但黑猩猩体内没有，这就支持了它在人类进化过程中起重要作用的假设。
另外，人类还通过丧失一些基因序列获得现有的大脑。斯坦福大学进化遗传学家David Kingsley及同事发现了500个黑猩猩有但人类没有的DNA调控延伸。其中一个位于肿瘤抑制基因附近。Kingsley目前正在测试删除小鼠体内该片段后的效果。他怀疑，这会使肿瘤抑制基因无效，并能移除细胞分裂“刹车”，从而允许人类大脑额外发育。
连同复制和删除，研究人员还在研究人类与其他动物共享的基因。其中最引人注目的是加州大学圣克鲁兹分校的David Haussler和旧金山格莱斯顿研究所生物统计学家Katherine Pollard在9年前鉴定出的一个DNA延伸片段。他们将其命名为HAR1。尽管它在其他被检验动物体内保持不变，但在人类序列中出现了戏剧性的偏离。研究人员认为HAR1编码了一个独立的RNA而非蛋白质。许多进化生物学家认为这令人兴奋，证据显示该序列在人脑进化中起到一定作用。
此外，还有许多DNA变化可能影响了其他人类构造。例如，Kingsley发现的一个调控DNA片段缺失可能会导致人类阴茎丧失骨棘，而老鼠、黑猩猩及其他哺乳动物的阴茎中则存在骨棘。而新加坡基因研究所遗传学家Shyam Prabhakar和美国耶鲁大学James Noonan团队表示，Pollard发现的一个DNA片段可能在人类前肢发育中作用显著，该片段的人和动物版本间的变化数量仅次于HAR1。该研究小组也认为，该序列有可能推动人类进化。当将人类版本的这个名为HACNS1的调控序列插入老鼠胚胎后，它便作用于啮齿类动物前肢发育。
但7年后，Prabhakar和Noonan仍然不清楚HACNS1控制何种基因，也没有将其充分嵌合到小鼠体内，从而培育出转基因鼠。“大片段人类序列引入老鼠基因组耗时较长，且成本太高。”Noonan说。
接近真相
与将一个序列插入老鼠胚胎研究其功能不同，Wray和杜克大学研究生Lomax Boyd在2010年着手创造了一个具有人类DNA的小鼠种系。尽管现在的基因复制技术能使此类实验简单化，但当时他们知道自己将面临数年的艰难工作。因为他的专业是生物信息学而非转基因鼠，Wray找到了Silver，共同进行该项目。
为了增加成功几率，Boyd只考虑了那些已经被认为对人类进化十分重要的DNA序列。他还将范围缩小到似乎起增强子作用的序列上，因为这些基因调节者好像在进化中的作用尤其明显。对于每个增强子候选者，他梳理了可能受其控制的附近基因的相关科学文献。1年后，该团队精心挑选出9个候选者。
为了更好地理解其功能，Boyd和Silver提取了每个候选者的增强子，插入到一个报告基因中，然后将混合物注入小鼠胚胎内，而这种基因能使发育的小鼠胚胎中被增强子开启的基因控制的部位变成蓝色。如果携带人类的增强子，那么胚胎发育中的大脑将更早并更大范围地变为蓝色。
“这里，小鼠胚胎有点像试管。” Silver说。研究人员判断增强子HARE5可能控制一个称为FZD8的基因，这个基因属于大脑发育中重要分子途径的一部分。进一步研究表明，人类的增强子会导致本来要发育成神经细胞的细胞分化更为频繁，从而提供更大量能够发育为大脑皮质的细胞。结果是携带人类HARE5的小鼠胚胎比携带有黑猩猩HARE5增强子的小鼠胚胎形成的大脑大12%。而且，将发育成神经元的干细胞分裂速度也快了23%。
相关研究成果在线发表于《当代生物学》期刊。该发现符合人脑如何进化的主流理论。1995年，耶鲁大学Pasko Rakic提出，人类大脑更大可能源于祖细胞细胞周期的简单改变——如果在形成神经细胞前，前体细胞能更多分裂，大脑也将更大。Rakic等人认为，杜克大学的成果支持了这一理论。
“他们已经在人类基因组中找到了确凿的证据，将调控元件和增加大脑尺寸的可能途径联系起来。”亚特兰大的耶基斯国家灵长类动物研究中心神经解剖学家Todd Preuss说。Eichler也表示：“这里的分子解剖是我见过的最好的。”
但也有研究人员指出，还有更多的工作要做。一些人认为，还需要大量的研究来明确HARE5的效果并非偶然。Kingsley认为，一个更好的实验是能够用人类和黑猩猩的HARE5完全代替小鼠的序列。Boyd曾试着进行此类工作，但最终失败。Kingsley还提议进行认知测试。“我想知道更大的大脑是否意味着小鼠更聪明。”
无论如何，Eichler表示，人类大脑的进化不会仅发生在一个或几个基因中，它应该是一种渐变性变化。（张章）
《中国科学报》 (2015-07-22 第3版 国际)
