決定現(xiàn)代人和尼安德特人智力鴻溝的氨基酸

編譯 劉迪一

2022年9月8日，一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》雜志的古人類分子生物學(xué)研究顯示，現(xiàn)代人與尼安德特人的TKTL1基因存在一個(gè)堿基對(duì)的差異，也正是這處點(diǎn)突變使現(xiàn)代人擁有更多大腦神經(jīng)元，以及更高水平的智力。論文作者如此評(píng)價(jià)該基因：“它幫助人類成為真正意義上的人類?！币粋€(gè)堿基對(duì)的不同居然能決定兩個(gè)人種的智力差異？

人類大腦額葉的核磁共振影像

仿佛被上帝親吻過(guò)的神奇大腦令現(xiàn)代人擁有其他任何生物都望塵莫及的智能，完成各種“高維度”的任務(wù)，例如使用成熟的語(yǔ)言、為未來(lái)制定復(fù)雜計(jì)劃。過(guò)去幾十年間，科學(xué)家一直在比較人類與其他哺乳動(dòng)物的大腦解剖結(jié)構(gòu)，試圖揭示這些復(fù)雜功能的進(jìn)化奧秘。一處最明顯的特征在于尺寸——人腦大小是遠(yuǎn)親黑猩猩的4倍。

獨(dú)特解剖學(xué)特征也是科學(xué)家的觀察重點(diǎn)。舉個(gè)例子，我們眼睛后方的皮層區(qū)域叫作額葉，是人類能產(chǎn)生一些高維度復(fù)雜想法的關(guān)鍵區(qū)域。2018年一項(xiàng)的工作顯示，人類額葉的神經(jīng)元數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于黑猩猩。

不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，人類祖先與黑猩猩祖先在七八百萬(wàn)年前便已分家，況且拿黑猩猩來(lái)跟自己比確實(shí)也不算英雄好漢。如果要了解700萬(wàn)年以后的情況，了解過(guò)去幾十萬(wàn)年間的智人（解剖學(xué)意義上的現(xiàn)代人）巔峰，我們必須借助各種遠(yuǎn)古人類的化石。

TKTL1酶的殘基317

古人類學(xué)家通過(guò)觀察頭骨化石發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人祖先的大腦尺寸從大約200萬(wàn)年前開始顯著增加，并在大約60萬(wàn)年前達(dá)到現(xiàn)代人水平。尼安德特人（以下簡(jiǎn)稱“尼人”）是最接近我們的已滅絕人類之一，其大腦尺寸與我們相當(dāng)。但尼人的大腦形態(tài)屬于“拉長(zhǎng)型”，而人類的則更接近球形。學(xué)者們暫時(shí)說(shuō)不出此種差異的根源。一種可能性是我們祖先大腦的多個(gè)區(qū)域都改變了大小，因此表現(xiàn)為球式擴(kuò)增。

左右分別示意尼安德特人與現(xiàn)代人的顱骨

近年來(lái)，科學(xué)家開始借助新材料研究古大腦：針對(duì)保存于人類化石里的古DNA片段，進(jìn)行分子生物學(xué)的分析。目前學(xué)術(shù)界已重建出尼安德特人及其東方近親丹尼索瓦人（以下簡(jiǎn)稱“丹人”）的完整基因組。

眼下，科學(xué)家聚焦現(xiàn)代人、尼人、丹人的基因組，試圖找出它們之間潛在的關(guān)鍵差異。人類基因組包含大約19 000個(gè)基因，其編碼的蛋白質(zhì)大多與尼人和丹人的相同。不過(guò)研究人員也發(fā)現(xiàn)了96種專屬人類的特異性突變。

神經(jīng)科學(xué)家維蘭德·哈特納（Wieland Huttner）現(xiàn)任職于馬克斯普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所。2017年，哈特納實(shí)驗(yàn)室的研究員安妮琳·平森（Anneline Pinson）在那96種突變基因里挑出了TKTL1基因，負(fù)責(zé)編碼一種名為“轉(zhuǎn)酮醇酶樣蛋白1”（TKTL1）的蛋白質(zhì)。

關(guān)于TKTL1，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們已知的內(nèi)容是：它是一種由596個(gè)氨基酸殘基組成的酶，在尚未成熟的胎兒大腦皮層（尤其是額葉）中表達(dá)水平顯著增加，也與腦腫瘤細(xì)胞的增殖有關(guān)。

現(xiàn)代人與尼人的TKTL1基因存在一個(gè)堿基對(duì)的差異，對(duì)應(yīng)到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上就是一個(gè)氨基酸的不同——尼人TKTL1的殘基317為賴氨酸，現(xiàn)代人的殘基317則是精氨酸。平森博士表示：“我們知道額葉對(duì)于認(rèn)知功能至關(guān)重要。所以與額葉密切相關(guān)的TKTL1突變可能是一個(gè)揭示人類認(rèn)知奧妙的絕佳線索?！?/p>

類腦模型浮現(xiàn)1/96的奧秘

之后，平森和同事們對(duì)小鼠和雪貂進(jìn)行了初步的TKTL1相關(guān)實(shí)驗(yàn)。他們將人類版本的TKTL1基因注入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的胚胎，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它會(huì)導(dǎo)致小鼠和雪貂的大腦在發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生更多的神經(jīng)元。而當(dāng)他們選擇注入尼人基因時(shí)，神奇的情況沒(méi)有發(fā)生。

接下來(lái)，平森等人使用分子剪刀，刪去了人類胎兒腦組織細(xì)胞（樣本來(lái)自德國(guó)醫(yī)院的墮胎女性）中的TKTL1基因。結(jié)果顯示，沒(méi)有了TKTL1的腦組織會(huì)產(chǎn)生更少的神經(jīng)祖細(xì)胞。

接連得到喜人結(jié)果后，研究團(tuán)隊(duì)開啟最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)——微型“大腦類器官”（類腦）的創(chuàng)建和觀察：他們對(duì)人類胚胎干細(xì)胞進(jìn)行編輯，令其失去專屬于人類的TKTL1突變，并以其他物種的突變代替。替代者包括尼人、黑猩猩以及其他哺乳動(dòng)物。

然后，平森和同事把干細(xì)胞放進(jìn)特定化學(xué)浴，后者會(huì)誘使其變成一團(tuán)正在發(fā)育的腦組織，也就是大腦類器官。大腦類器官產(chǎn)生祖細(xì)胞，繼而形成一個(gè)由神經(jīng)元層組成的微型皮層。由未經(jīng)基因替換的胚胎干細(xì)胞發(fā)育而來(lái)的，自然是標(biāo)準(zhǔn)人類類腦；若被替換了，則形成尼人或黑猩猩的類腦。相比標(biāo)準(zhǔn)人類版本，尼人類腦產(chǎn)生的神經(jīng)元更少。這表明TKTL1基因的突變幫助我們的祖先產(chǎn)生更多額葉神經(jīng)元。雖然這種變化并未增加我們大腦的整體尺寸，但它可能重構(gòu)了神經(jīng)系統(tǒng)。

平森與哈特納的成果最終發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

比利時(shí)列日大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家洛朗·阮（Laurent Nguyen）未參與該項(xiàng)研究，不過(guò)給予了高度評(píng)價(jià)：“如此微小的變化對(duì)神經(jīng)元形成產(chǎn)生如此巨大的影響。這真的是一次絕妙的表演，非常了不起?！?/p>

當(dāng)然，新發(fā)現(xiàn)并不意味著TKTL1是人類智能的終極答案。其他學(xué)者正積極探索著其他95種突變蛋白，開展自己的類器官實(shí)驗(yàn)。

哈特納博士實(shí)驗(yàn)室的其他成員于2022年7月報(bào)告稱，另外2個(gè)突變改變了大腦發(fā)育中的細(xì)胞分裂速度。2021年，加州大學(xué)圣地亞哥分校的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，另一種突變似乎改變了人類神經(jīng)元連接的數(shù)量。

此外，阮博士觀察到，人類特有的96種突變中的一部分改變了可能參與細(xì)胞遷移的基因。他推測(cè)，此類突變可能使我們的神經(jīng)元移動(dòng)方式不同于尼人。

這一發(fā)現(xiàn)為我們進(jìn)一步揭示尼人和現(xiàn)代人的演化差異提供了新線索。

資料來(lái)源 The New York Times