《Cell》人類大腦為何完勝猩猩? 「類器官」解發育關鍵細胞變化

撰文記者 巫芝岳
日期2021-04-03
《Cell》人類大腦為何完勝猩猩? 「類器官」解發育關鍵細胞變化 (圖片來源:網路)

近(24)日,英國劍橋MRC分子生物研究機構(MRC Laboratory of Molecular Biology)的科學家,透過大腦「類器官」(organoid)研究,發現大腦發育時的一項細胞型態變化,可能是造成人類大腦可發育得比其他靈長類更大、更複雜的關鍵原因。該研究發表於期刊《Cell》。

人類與其他猿猴間最大的差異,在於我們的大腦發育時會經歷特有的「快速擴張」機制,但科學家一直未能了解該機制。本次MRC的研究團隊,不但透過比較人類與大猩猩、黑猩猩的腦部,解開其中與細胞形狀變化相關的關鍵,也找出與之相關的調控基因ZEB2。

由發育生物學家Madeline Lancaster領導的研究團隊,透過人類與其他靈長類的大腦類器官進行這項研究。Lancaster團隊在2013年開發出全球第一個大腦類器官,當時論文發表於頂尖期刊《Nature》,這種無法完全複製成熟大腦功能的3D模型,能讓科學家在符合倫理的情況下,方便地研究大腦組織發育。

大腦發育的早期階段,稱為「神經源祖細胞」(neural progenitors)的神經幹細胞,會開始分裂並分化為神經細胞。為了讓幹細胞容易分裂出圓柱狀的子細胞,這些源祖細胞最初皆為圓柱狀,之後隨著細胞成熟,它們會逐漸伸長,變為長型的圓錐狀。

先前的小鼠研究已經顯示,這項神經源祖細胞由圓柱變為圓錐狀、增殖速度漸緩的「過渡期」,大約費時數小時。而本次研究則發現,此過渡期在大猩猩和黑猩猩腦部需費時5天,在人類腦中則延遲地更長,大約需要7天時間。

研究團隊指出,人類的神經源祖細胞維持圓柱狀的時間,較其他靈長類更長,且分裂頻率更高、產生的神經細胞更多,這很可能就是讓人類大腦神經元數量,能比大猩猩或黑猩猩多出3倍左右的主因。

Lancaster表示,他們發現的這項早期大腦細胞形狀變化的延遲現象,足以改變整個發育過程、幫助確定動物腦中神經元的數量。

此外,他們也進一步研究了造成這項差異的遺傳機制。結果發現,「ZEB2」基因在其他靈長類腦中啟動的時間比人類來得早,可能是造成兩者差異主要原因。

若以人為方式延遲該基因的啟動,便會減慢源祖細胞的成熟,使大猩猩腦部類器官發育的與人類更相似;反之,若讓人類更早啟動該基因,則會讓人的源祖細胞過早開始轉化,類器官發育得更像其他靈長類。

參考資料:

1. 論文原文:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00239-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867421002397%3Fshowall%3Dtrue

2. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210324113502.htm

(編譯/巫芝岳)