Nature：揭示人类特有的DNA增强子与大脑发育和神经元增殖有关

来源：100医药网 2025-05-30 16:46

研究人员证实，一种人类特异性DNA增强子的微小遗传变化就能显著改变神经发育。这些研究结果深入揭示了DNA调控序列如何影响大脑结构，并提出了DNA进化变化导致神经发育障碍的潜在途径。

杜克大学医学中心领导的一项新研究发现了一种调节神经祖细胞增殖和皮层大小的人类特异性DNA增强子。HARE5的微小遗传变化会放大一条关键的发育途径，从而导致实验模型中的皮层大小和神经元数量的增加。这些发现对理解神经发育障碍的遗传机制具有重要意义。相关研究结果发表在Nature杂志上。

与其他物种相比，人类拥有更大、更复杂的大脑皮层，有助于实现高级认知功能。比较基因组学研究发现了人类加速进化区（Human Accelerated Regions, HARs），即具有人类特异性基因变化的非编码DNA片段。许多 HARs 位于与大脑发育和神经分化相关的基因附近。

由于已经确定了数千个 HARs 并将其与大脑相关基因联系起来，下一个关键步骤就是研究这些调控元件如何积极塑造人类大脑特征。

HARE5是位于人类10号染色体上的一个特定HAR，它是FZD8的增强子，而FZD8是一个参与WNT信号通路的受体基因。HARE5的调控修饰与大脑皮层的发育有关，但人类特异性核苷酸变化影响神经祖细胞行为的分子机制仍不清楚。

在这项新的研究中，研究人员采用了一系列基因组编辑技术来研究 HARE5 中的人类特异性核苷酸变化如何影响皮层发育。他们利用基因组编辑过的HARE5（包括人类、黑猩猩和小鼠序列）版本生成了小鼠模型。人类胚胎和黑猩猩诱导性多能干细胞经基因编辑后表达人类或黑猩猩HARE5。

研究人员对人类和黑猩猩的神经祖细胞和皮层类器官进行了分析，以评估增强子活性和细胞增殖情况。利用基因组编辑技术生成表达人类、黑猩猩或小鼠 HARE5 序列的小鼠模型。CRISPR干扰（CRISPRi）靶向HARE5，以评估其对神经祖细胞中FZD8表达的调控作用。通过实时成像、单细胞RNA测序和系谱追踪来评估神经祖细胞的增殖和分化

利用广域钙成像技术对小鼠皮层大小、神经元数量和神经祖细胞动态进行了功能分析。分析了由经过基因组编辑的人类和黑猩猩干细胞衍生的皮层类器官，以评估HARE5增强子活性和细胞增殖。定量 PCR 和批量 RNA 测序被用来测量 FZD8 和相关信号通路成分的基因表达水平。

与对照组相比，人类 HARE5 基因敲入小鼠的皮层大小和神经元数量均有所增加。对成熟神经元的定量分析显示其数量显著增加，尤其是在上皮层。

FZD8在放射状胶质细胞中特异性表达

活体成像和系谱追踪显示，在早期发育阶段，放射状胶质细胞的增殖和自我更新能力增强，随后在神经发生中期，神经源性潜能扩大。HARE5中的四个特定人类核苷酸替换共同提高了增强子的活性，其中变体I和变体II约导致了这种影响的80%。

与变体I相邻的自闭症谱系障碍相关突变显著降低了增强子活性，与神经祖细胞增殖减少相关。条件敲除小鼠HARE5可减少皮层大小，证实了这种增强子在皮层发育中的必要性。CRISPR干扰证实了HARE5调控Fzd8表达的特异性。

通过对HARE5基因敲入小鼠进行广域钙成像，观察到大脑皮层区域之间的功能独立性增强，这表明了更广泛的网络水平影响。

研究人员证实，一种人类特异性DNA增强子的微小遗传变化就能显著改变神经发育。这些研究结果深入揭示了DNA调控序列如何影响大脑结构，并提出了DNA进化变化导致神经发育障碍的潜在途径。

确定HARE5中的特定核苷酸变异如何驱动大脑皮层的增大和神经元的产生，为研究大脑复杂性的遗传因素提供了一个框架。未来的研究可能会探索类似的DNA序列如何影响神经功能和认知发展，从而对理解自闭症谱系障碍等疾病产生影响。（100yiyao.com）

参考文献：

Jing Liu et al, , Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09002-1.

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