科学家揭示类人类特异基因促进大脑皮层的沟回形成机制

作者: 罗振革研究组

来源: 中国科学院上海生命科学研究院

发布日期: 2016-08-12 09:07:32

罗振革研究组发现人类特异基因 TBC1D3 通过促进皮层脑室区神经干细胞的迁离和增殖,影响小鼠大脑皮层的沟回形成,为研究大脑高级功能提供了工具。

智力的进化与哺乳动物大脑新皮层的增厚息息相关,这个过程离不开皮层神经元数量的增加。皮层神经元的增加源于神经发生时程变长以及神经干细胞和前体细胞的增殖能力的增强;与此平行的大脑皮层通过形成沟回让有限的颅骨空间内表面积进一步增大。近期的跨物种研究显示灵长类皮层在亚脑室外区(OSVZ)进化出新的神经发生区,此区域包含大量的具有增殖能力的基底神经祖细胞(BPs)以及神经元。

然而 BP 细胞的产生和皮层沟回之间的因果关系仍然不明。基因拷贝数的增加在大脑进化过程中起到至关重要的作用,尤其是人类特异基因的拷贝数增加可能会对皮层沟回的复杂化产生影响。人特异基因 TBC1D3 在人类进化时发生了拷贝数的增加,但是其对大脑发育的影响至今没有得到系统的研究分析。

罗振革组的研究人员发现通过胚胎电转的方法在小鼠大脑皮层表达 TBC1D3 可以促进皮层脑室区放射状胶质神经干细胞(vRGs)从脑室的迁离,在亚脑室及其外侧皮层形成一类新的可以自我更新的神经祖细胞,这类祖细胞具有与灵长类大脑特有的亚脑室外区(oSVZ)放射状胶质神经干细胞(oRGs)相似的形态和分裂行为,而这类 oRG 细胞被认为对进化中大脑皮层的增厚及沟回的复杂化起重要作用。

此外,在培养的人类大脑切片中下调 TBC1D3 基因的表达能够降低 oRG 细胞的产生。值得关注的是,无论是在小鼠胚胎电转还是在转基因小鼠中局部的 oRG 扩增都经常会引起皮层相应区域形成沟回。综述,该研究发现并确认了这种可以调控 oRG 产生进而调节皮层扩增与沟回形成的人特异基因。此研究中构建的转基因小鼠为研究皮层沟回与大脑高级功能的联系提供了一种可行工具。TBC1D3 促进皮层沟回形成模式图。

TBC1D3 通过降低 vRG 细胞中的 N-cadherin 引起 vRG 细胞迁离脑室形成类似 oRG 的细胞,同时激活 Ras/ERK 等细胞干性相关信号通路,进而促进此类 oRG 细胞的增殖,产生更多的 oRG 或中间前体细胞,导致区域性神经元密度的增加,从而引起小鼠大脑皮层产生沟回。

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