当把现代人类基因和尼安德特人的基因互换后会发生什么?
1239字
2021-02-18 23:40
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火星译客

现在,我们已经了解到了古人类的基因组,研究人员正尝试研究我们的差异是否是由于遗传学。

现代人类与我们的近亲尼安德特人和丹尼索瓦人的主要区别是什么?对于尼安德特人,没有任何明显的区别。他们使用了复杂的工具,创造了艺术品,并在一些非常恶劣的环境中生存下。但是,据我们所知,他们的总体人口数量从未很多。当现代人类来到欧亚大陆时 ,我们的数量越来越多 , 我们的生存范围越来越广,尼安德特人和丹尼索瓦人最终流离失所 ,并最终灭绝

随着我们有获得古代DNA的能力,我们现在已经了解了尼安德特人和丹尼索瓦人的基因组,这让我们可以提出一个更具体的问题。我们的一些差异是否与遗传有关? 

这三个物种是近亲,所以我们的蛋白质差异上比较小。但国际上一个大型研究团队已经发现了差异蛋白一种,并将其重新截取化到从现代人类身上获得的干细胞中。研究人员发现,由这些细胞制成的神经组织与用现代人类型的这种基因培育的相同组织有着明显的差异。

作为工作的第一步,研究人员必须决定一个基因的目标。如上所述,这三个物种的基因组都极为相似。而当你看基因组中那些编码蛋白质的部分时,相似度才会上升。一个更为复杂情况是,在尼安德特人中发现的一些基因的版本仍然存在于现代人类人口的一小部分中。研究人员想找到一种基因,尼安德特人和丹尼索瓦人都有一种类型,而几乎所有现代人都有另一类型。

在数以万计的基因中,研究人员发现只有61种通过这个测试的基因。他们选择重点关注的那个基因叫做NOVA1。尽管这个名字听起来很炸,但NOVA1的命名很简单,因为它最初被发现与癌症有关:神经肿瘤腹侧抗原1。通过对脊椎动物家谱的研究发现,尼安德特人和丹尼索瓦人 与其他灵长类动物和鸡都有一个NOVA1的类型的基因, 这意味着哺乳动物与恐龙有共同祖先。

然而,几乎所有的人类都有一个不同类型的基因(在数据库中搜索25万个基因组时,研究人员只发现了三种尼安德特人类型的基因实例)。两者之间的细微区别是,在基因的一个单个位置交换一个密切相关的氨基酸--但这是一种差异。(对那些好奇的人来说,这是氨基酸是异亮氨酸对缬氨酸的区别。)

但NOVA1是那种微小的变化就有可能产生巨大影响的基因。用于制造蛋白质的RNA最初是由部分的有用的混合物组成的,这些有用部分被无用的间隔物分开,需要被剪切来。对于一些基因来说,不同的部分可以以一种以上的方式拼接在一起,从而可以从相同的起始RNA中产生不同形式的蛋白质。NOVA1调控着拼接过程,并能决定多种基因在其活跃的细胞中形成的形式。对于NOVA1来说,它活跃的细胞包括神经系统的许多部分

如果最后一段话有点让人迷惑,简短的说法是:NOVA1可以改变神经细胞中蛋白质的类型。而且,由于行为是现代人类可能与尼安德特人不同的地方,这是是这类研究的一个有趣的目标。

显然,试图看看尼安德特人的类型基因在实际人类中会做什么,这是个道德问题。但过去十几年发展起来的一些技术现在让我们能够以一种非常不同的方式来处理这个问题。首先,研究人员能够从两个不同的人身上提取细胞,并将这转化为干细胞,干细胞之后能够发育成身体的任何细胞。然后,他们使用Crispr基因编辑技术将人类类型的基因转化为尼安德特人类型。(或者,如果不那么善良,你可以称之为鸡版)。

在进行了大量的检查以表明NOVA1是唯一被编辑改变的基因后,研究人员诱导干细胞形成典型的大脑皮层的神经元。

当具有尼安德特人类型NOVA1基因的细胞形成的神经细胞团时,产生的神经细胞簇更小,尽管这些细胞团的表面形状更复杂。带有尼安德特类型基因的细胞也生长得也更慢,更容易经历一个以细胞死亡告终的过程。所以很明显,尼安德特类型基因改变了干细胞转化为神经细胞的行为。

遗传水平的差异也很明显。研究小组在尼安德特人NOVA1的细胞中寻找任何活性改变的基因(通过mRNA水平测量)。其中有不少基因,它们包括一些神经发育的关键调控因子。而且,正如一个剪切调节器预期的那样,有数百个基因看到了它们的蛋白质编码RNA拼在一起怎样变化。

这些基因中的似乎有许多与突触的形成和活性有关,突触是神经细胞之间的个体连接,使细胞能们彼此交流。毫不奇怪,这改变了那些连接的行为。正常情况下,神经细胞在培养中形成连接并协调细胞活动。在带有尼安德特人类型的NOVA1的细胞中,协调性较差,神经细胞随机发射信号的条件较高。

结果显而易见,拥有尼安德特人版本的NOVA1对现代人的神经细胞来说不是一件好事。不过,要确定这里所描述的所有变化是两种形式的蛋白质之间特定差异的产物,还是仅仅是神经细胞由于基因的错误调节导致不健康的结果,还需要更多的研究。

但研究人员也告诫说,不要笼统地过度解释这些结果,虽然具有暗示的,但这些结果并不清楚地表明,基因的变化使我们的大脑与现代人类近亲有根本的不同。

这种人类类型的基因进化是在人类基因的许多其他微妙变化背景下发生的,这些变化要么是是编码序列的变化,要么就是调节其活性的序列的变化(更常见)。这些变化可能会潜在地抵消现代人类版本NOVA1的活性差异所造成的任何有害影响。由于基因和所有这些拼接之间的不匹配,突然植入最初版本的基因可能只会产生差异。

因此,要弄清楚这一基因的差异对人类和尼安德特人的大脑有多大意义还需要一段时间。但关键是现在我们可以提出这些问题了。回答这些问题结果的技术在本世纪之前就不可能了——crispr基因编辑的出现不到10年。所以仅仅是我们知道这么多的事实就相当惊人了。

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