Science高分：人类大脑进化的秘密，转录组告诉你

没有看错，就是你们熟悉的转录组，加上好朋友miRNA-Seq，以及一些单细胞RNA-Seq和免疫荧光法，这些常规技术，就能做出《Science》大餐哦。

科技君今天分享的这篇文章《Molecular and cellular reorganization of neural circuits in the human lineage》2017年11月发表于《Science》，影响因子高达37.6。文章对3个灵长类物种（人、黑猩猩、猕猴）的16个脑区，一共247个组织样本进行转录组测序，并结合灵长类的其中一个——人类的单细胞转录组数据进行整合分析，揭示了灵长类脑的全局、区域和物种特异细胞类群的差异基因表达及细胞分子特征。

划重点

人：6个样本；

黑猩猩：5个样本；

猕猴：5个样本；

组织部位：16个脑区，包括海马区、杏仁核、纹状体、丘脑内侧背核、丘脑、大脑皮质的其余11个区域。

这样一个看起来系（gao）统（da）庞（shang）大的研究，都是做些什么高端技术分析的呢？

首先，肯定是套路啦！自古套路得人心， 这篇文章里转录组部分的研究，常规研究套路当然是必不可少的：

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寻找差异表达基因（mRNAs、miRNAs）

通过RNA-Seq与miRNA-Seq，发现物种间的差异表达的mRNAs及miRNAs，并锁定目标物种——人脑，及其特异表达的基因。发现有11.9%的mRNA和13.6%的miRNA在特定功能区域是人类特异上调（H>C=M）或者下调（H<C=M）的。差异最显著的是纹状体，其次是丘脑、初级视皮层和侧前额皮质。

图1 物种间16个脑区mRNAs的差异表达分析

（H：人，C：黑猩猩，M：猕猴； 横轴为不同的脑区）

图2 各物种间16个脑区miRNAs的差异表达分析

（H：人，C：黑猩猩，M：猕猴）

2

人脑特异表达基因的功能富集

这些特异表达基因分布在哪些脑区？并与哪些疾病相关联呢？文章找到一个人脑特异表达的mRNA——TWIST1出现下调，这个基因已经被报道与尖头并指畸形综合征相关。同时还有一些人脑特异表达的miRNAs，也出现上调或下调，分别与人体离子通道（ion channel）基因编码、自闭症谱系障碍、精卵识别介导蛋白相关等，具体的分析总结如下图。

图3 人脑不同分区特异表达的差异基因分析

（横轴为人脑不同的分区，纵轴为特异表达的基因，圆圈反馈的是这些基因在不同分区中的表达量情况）

然而，研究需要提升至（gao）全（duan）局（da）的（qi）水平，意味着数据需要更全面，所以亮点来了：

1

把数据做到单个细胞水平

a． 补充单细胞RNA-Seq联合组织样本基因共表达分析（WGCNA）。组织样本中，鉴定到了229个mRNA共表达模块，这些模块大部分都是区域、物种特异表达。进一步放大到细胞的分子水平，把组织检测的到这些共表达模块，联合人脑单细胞的RNA-Seq数据，进一步做不同细胞亚群的表达量热图分析，发现人脑中新皮层脑区，编码特性的兴奋性投射神经元的基因出现较高的富集。

图4 物种都存在的保守的、及物种特异的基因表达模块

（图A 脑区、物种、种间的共表达模块，实线是通过校正P值＜0.01，虚线P值≥0.01；图B各个模块的表达量热图。

b． 进一步把单细胞的数据进行单分子水平的分析。 越精细，越精（gao）致（fen）。单细胞的数据分析，发现人脑区，不论是组织块，或特定的细胞类群，都出现很多物种/区域特异表达的基因，并精细的描绘分析。

Example：PKD2L1基因是编码特异性的兴奋性投射神经元，TH是表达一系列的生长激素抑制素（SST），是一种在人类和猕猴新大脑皮层的深层和白层中表达的抑制性中间神经元（和ZP2是一个在人类小脑粒状细胞中上调表达的基因）。

图5 人脑新皮层单细胞细胞、

黑猩猩脑组织特异的差异表达基因分析。

（雷达图，图A是物种人，图B是物种黑猩猩；i是与神经紊乱相关的基因，ii是与神经递质的合成、退化、转运蛋白相关的基因；iii是与编码离子通道（ion channel）相关的基因）

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文章的验证同时结合了免疫荧光法进行了生物学验证

图6 人类端脑的TH+中间质神经元是大脑皮质的起源和表达TH蛋白的形成，及相关的免疫荧光验证。

（TH是表达一系列生长激素抑制素（SST）的一种人类和猕猴新大脑皮层的深层和白层中表达的抑制性中间神经元。）

总结

文章利用转录组测序的方法，同时结合单细胞RNA-Seq以及miRNA的数据，对成人、黑猩猩和猕猴脑部16个区域（海马、小脑、杏仁核、纹状体等）的247个组织样本进行分析，揭示了灵长类脑的全局、区域和特定细胞类型的物种基因表达差异，mRNA和非编码RNA水平变化可影响突触传递及电生理特性等。通过组织学和功能分析鉴定人类特异性基因在不同细胞类型中富集，人类新皮层和纹状体中富集的多巴胺能神经元在非洲猿新皮层中不存在。通过与人单细胞转录组测序数据进行整合，发现人类脑部所有区域都有与灵长类相似的分子特征，但有些区域却含有明显的人类基因活动模式。该研究揭示人脑在多个层次上的系统重组的多个分子和细胞特征，这些特征与脑功能和疾病有关。

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【参考文献】

Sousa A M M, Zhu Y, Raghanti M A, et al. Molecular and cellular reorganization of neural circuits in the human lineage[J]. Science, 2017, 358(6366): 1027-1032.

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撰稿：吴蔚瑶

编辑：市场部

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