《科学》：拥有更强的大脑，我们的祖先靠一个氨基酸的改变就赢了

▎药明康德内容团队编辑

在生命演化的历史长河中，人类祖先的许多近亲最终消失——例如尼安德特人，最后只有我们现代智人在这个世界发展壮大。这究竟只是单纯的幸运，抑或我们有着什么得天独厚的优势？

一些科学家猜测，关键原因可能在于我们的大脑有更强的认知能力。最新一期《科学》杂志发表的一篇论文指出，尽管化石证据显示现代人与其近亲尼安德特人长着差不多大的大脑，然而我们的大脑在发育过程中产生了更多的神经元，从而为更强的认知能力奠定基础。

在这篇论文中，来自德国马克思普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）、进化人类学研究所的科学家们进一步指出，与尼安德特人相比，仅仅在一个关键蛋白上出现了一个氨基酸的不同，就让现代人拥有了神经细胞更多、认知能力更强的大脑。

这个关键的蛋白名为转酮酶样蛋白-1（transketolase-like 1，简称TKTL1）。近年来通过比对基因组序列，科学家们发现，现代人与尼安德特人之间，氨基酸序列存在差异的蛋白质并不多，而TKTL1就是其中的一个。几乎所有现代人的TKTL1都在同一个氨基酸位置上与尼安德特人的版本不同。具体来说，现代人TKTL1版本中的一个精氨酸（Arg），在尼安德特人版本中是一个赖氨酸（Lys）。

▲仅仅一个氨基酸的不同，TKTL1在大脑的发育产生了不同的影响（图片来源：参考资料[1]）

正是这个TKTL1对大脑发育产生了重要影响。这是因为，当我们还处于胚胎阶段时，TKTL1就在大脑的神经祖细胞中发挥作用。日后产生的大多数皮质神经元就源自这些神经祖细胞，它们复杂的分层结构是现代人大脑皮质的重要特征。而且，人类额叶的祖细胞中，TKTL1的表达水平尤其高，大脑的很多高级认知功能正取决于额叶这个区域。

不过，TKTL1仅仅只差了一个氨基酸，究竟会给大脑发育带来多大影响呢？为了回答这个问题，研究人员首先将编码现代人TKTL1的基因和编码尼安德特人TKTL1的基因分别转入缺乏TKTL1的小鼠大脑新皮质，两者相比显示，小鼠胚胎大脑中的一类神经祖细胞，即基底放射状胶质细胞（bRG）的数量随着现代人TKTL1的引入而显著增加，但是没有受到尼安德特人TKTL1的影响。而最终造成的差异是，具有现代人TKTL1的小鼠胚胎，其大脑包含的神经元更多。

▲分裂的基底放射状胶质细胞，这类祖细胞在大脑发育过程中生成皮质神经元（图片来源：参考资料[1]）

为了进一步确认不同版本的TKTL1对人脑发育的影响，研究人员进一步对现代人的干细胞进行了基因编辑，将其中的精氨酸替换为尼安德特人版本的赖氨酸。随后，这些干细胞在实验室培养皿中发育为大脑的类器官，这种类器官可以模拟人类大脑的早期发育。

有意思的是，仅仅是一个氨基酸的改变，这个大脑类器官中产生的基底放射状胶质细胞就比真正现代人的大脑类器官来得少，生成的神经元数量也更少。

论文第一作者Anneline Pinson说：“尽管我们不知道尼安德特人的大脑有多少神经元，但我们现在可以推断，TKTL1活性最高的大脑额叶中，现代人的神经元比尼安德特人更多。”

研究人员还发现，现代人版本的TKTL1通过改变细胞的代谢发挥作用，特别是通过增加脂肪酸合成的方式，在放射状神经胶质细胞的长期增殖过程中提供所需的大量膜脂，支持神经元的大量产生。

▲研究示意图：TKTL1蛋白的活性变化改变了大脑基底放射状胶质细胞（bRGs）的代谢，增加了其细胞数量和上层皮质神经元的数量（图片来源：参考资料[2]）

《科学》杂志同时发表的专家评论总结说：“这种机制可能代表了现代人与古人在大脑进化方面的一个关键驱动因素。”

参考资料：

[1] Anneline Pinson et al., (2022) Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neanderthals

[2] Brigitte Malgrange & Laurent Nguyen (2022) Scaling brain neurogenesis across evolution. Science Doi: 10.1126/science.ade4388

[3] Modern humans generate more brain neurons than Neandertals. Retrieved Sep. 9, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/963855

更多推荐

点个“在看”再走吧~