Cell子刊：是什么让我们成为人类？非编码DNA发挥了关键作用？

2021-10-14 09:27

撰文从进化的角度来看，黑猩猩是我们人类现存的最近的亲戚，人类的DNA与黑猩猩非常相似

撰文 | xiao xia

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

从进化的角度来看，黑猩猩是我们人类现存的最近的亲戚，人类的DNA与黑猩猩非常相似，然而，二者的大脑却有着很大的差异，人类的大脑更大、更复杂。大约在五六百万年前，人类和黑猩猩的走上了不同的进化之路，导致了今天的黑猩猩人类这两个不同物种的出现。

含KRAB区域的锌指蛋白 （KZFPs）是最大的哺乳动物转录因子家族，在哺乳动物和灵长类进化过程中经历了快速扩展。人类基因组编码至少350种KZFPs，其中170种具有灵长类特异性。许多KZFPs在人脑中表达，并整合到神经元基因调控网络中。值得注意的是，这些表达模式在人类和黑猩猩之间是不同的，KZFPs可能是人类和黑猩猩大脑进化差异的驱动因素，但目前直接证据。

2021年10月7日，德国隆德大学的研究人员在 Cell 子刊 Cell Stem Cell 上发表了题为： A cis-acting structural variation at the ZNF558 locus controls a gene regulatory network in human brain development 的研究论文。

该研究利用人类与黑猩猩的前脑神经前体细胞，检查了使人类和黑猩猩大脑发生改变的非编码DNA。该研究发现差异转录因子ZNF558仅在人类大脑中高度富集，顺势作用因子可变数目串联重复序列 （VNTR）这种非编码DNA是导致ZNF558差异的原因，这可能是人类与黑猩猩大脑不同的根源所在。

人类DNA有着30亿碱基对，但其中仅有2%会编码蛋白质，其余的98%为非编码DNA，这项研究表明，影响大脑发育，分开人类和黑猩猩的重要因素可能隐藏在了这被忽视的98%的非编码DNA之中，这无疑是一个重要发现。

研究团队在体外诱导多能干细胞（iPSC），直接比较了人类和黑猩猩的前脑神经前体细胞（fbNPCs）。他们观察到，黑猩猩和人类iPSC可以在相同条件下在体外维持，并且在分化后，来自两个物种的细胞快速转变为类似fbNPC的形态。RNA-seq没有发现两种细胞的差异，于是他们进行了单细胞RNA-seq，重点关注KZFPs，确定了至少在1个样本中表达的312 个KZFPs和在物种之间有显著差异的35个（人类高表达27个，黑猩猩高表达8个），其中，ZNF558在人类样本中完全部高表达。

许多KZFPs在灵长类进化中经历了快速进化，其中新基因通过片段复制产生并多样化。然而，ZNF558直系同源体之间具有高度保守性。ZNF558在哺乳动物谱系中受到进化限制。接下来，研究团队使用来自无关个体的125748个外显子组和15708个全基因组序列的数据库，研究了人类群体中ZNF558基因变体的存在。他们发现杂合子预测功能丧失（pLoF）等位基因的频率略低于预期频率，未发现携带纯合子pLoF变体的个体。 ZNF558保守性和变异的这种进化和全种群分析表明，该蛋白质在大约1亿年的进化过程中一直处于严格的进化约束之下，这与在哺乳动物生理学中的重要作用一致。

为了研究ZNF558在人类fbNPC中的功能相关性，研究团队通过CRISPRi来沉默ZNF558表达。RNA-seq分析发现SPATA18在ZNF558被沉默被上调，揭示了 SPATA18是ZNF558的唯一功能靶点。

ZNF558的靶基因SPATA18表达的蛋白质帮助线粒体的降解自噬。与此一致，研究团队发现ZNF558沉默导致人类fbNPCs中线粒体含量显著减少以及呼吸链复合体V中ATPase5A的水平显著增加，表明ATPase的适应性变化水平以响应线粒体数量的减少。为了研究ZNF558在人类大脑发育中的功能作用，他们构建了ZNF558缺陷的大脑类器官，发现了ZNF558沉默不仅不会损害大脑类器官的形成和发育，还会加速大脑的成熟。

鉴于ZNF558在人和黑猩猩之间是保守的，研究团队接下来探索了这两个物种之间差异表达的潜在遗传基础。他们发现ZNF558上游的人类和黑猩猩基因组环境的变异有限，这表明启动子结构的改变不太可能是原因。然而，在ZNF558的下游，他们注意到人类基因组组装中有一个大的重复区域，确定了一个单位长度为7460bp的VNTR基序，在种群和物种之间显示出惊人的拷贝数变异。特别是，人类和非人类灵长类动物样本之间该VNTR基因座的拷贝数存在显着差异：所有非人类类人猿样本，除了猩猩，与人类相比，该VNTR的拷贝数显著更高。他们还发现，ZNF558表达与VNTR拷贝数呈负相关。这些结果表明，ZNF558的调节由顺式作用的VNTR控制，ZNF558下游的重复基因组区域VNTR是人类和黑猩猩大脑差异的原因。