EMBO J︱新发现！AGHGAP11B促进新皮层扩张持续到成年并提高认知能力

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撰文︱赵津悦

责编︱王思珍

在人类进化过程中，新皮层的扩张可能会增强我们的认知能力【1-4】。许多基因与新皮层的扩张有关，因为它们已被证明会增加基底祖细胞（basal progenitor，BP）的增殖和丰度，进而促进皮质神经元的产生【5-9】。其中，ARHGAP11B是一个人类所特有的基因。在发育中的人类新皮层中，ARHGAP11B优先在神经祖细胞（neural progenitor cells，NPCs）中表达【6-9】。

目前的研究表明，ARHGAP11B是人类进化中新皮层扩张的一个极有潜力的候选基因。因为不论是在胎鼠和雪貂的新皮层中过表达该基因，还是在非人类灵长类动物（狨猴）的胎儿新皮层中表达生理水平的该基因，结果都表明它会增加BP的增殖和丰度，进而促进上层神经元的特异性生成，加强发育中新皮层的扩张【6, 10】。然而，关于ARHGAP11B在人类新皮层进化扩张中的潜在作用，有两个关键问题仍未得到解答：ARHGAP11B诱导的这种皮层神经元增多和人类新皮层扩张的表型能否持续到成年？如果能，是否与认知能力的提高有关？

近期，德国马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的Wieland Huttner团队在The EMBO Journal 上发表了题为Expression of human-specific ARHGAP11B in mice leads to neocortex expansion and increased memory flexibility的最新研究成果，解释了这些科学问题。研究发现，ARHGAP11B诱导的小鼠皮层的扩张和神经元的增加可以持续到成年，并且明显改善了小鼠的记忆能力。

作者采用CRISPR/Cas9基因组编辑技术将小鼠Arhgap11a基因的一个等位基因转化为突变小鼠ARHGAP11B基因（mARHGAP11B），从而获得了ARHGAP11B转基因杂合小鼠（以下简称11B小鼠）。

紧接着，研究者首先检测了11B小鼠发育中的新皮质中的NPC的水平，发现，与同龄野生型（WT）小鼠相比，胎龄为14.5天（E14.5）的11B小鼠胚胎的新皮层中有丝分裂的BPs数量增加了50%，这些BPs包括基底放射状胶质细胞、基底中间祖细胞等（图1A-K）。

为了确定11B小鼠胚胎新皮层BP水平的增加是否与细胞周期再进入的增强有关，研究者通过注射胸腺嘧啶类似物进行标记，首先，在E13.5时先注射BrdU 23.5小时后再注射EdU，在E14.5时发现11B小鼠胚胎脑室下区（subventricular zone，SVZ）中的BPs越来越多地产生新子代（图1 L, M），也就是说，BPs可能重新进入了细胞周期，并自我增殖。其次、脑室区（ventricular zone，VZ）中BrdU和EdU标记皆为阳性的子细胞数量，WT和11B小鼠之间没有差异，表明顶端祖细胞（apical progenitors，APs）的自我更新未发生改变，然而11B小鼠胚胎SVZ中该标记双阳性的子细胞显著增加 （图1 N），表明BPs的自我更新增加。这些结果整体表明：11B小鼠胚胎新皮层BPs的增殖能力和丰度都增加，而且这种增加是由ARHGAP11B蛋白水平上调（非等位基因Arhgap11a的蛋白水平下调）所导致。

 图1 11B小鼠胚胎新皮层BPs增殖和丰度增加

（图片引自：Lei Xing, et al., EMBO J 2021; 40: e107093）

证明了11B小鼠胚胎的新皮层中BP的增殖和丰度增加之后，作者发现E18.5时11B小鼠胚胎的新皮层扩大，皮层神经元数量增加（图2 A）。同时，与WT胚胎相比，11B小鼠胚胎新皮层的外侧周长（图2 E）和径向厚度（图2 F）都增加，但脑室长度（图2 G）没有增加。径向厚度的增加源于皮层的皮质板（cortical plate，CP）和中间带（intermediate zone，IZ）的厚度增加（图2 H, I），径向厚度的增加也反映了E18.5时11B小鼠新皮层神经元数量的增加（图2 J-L）。这些结果证明：在发育的11B小鼠新皮质中皮质更加扩张、神经元生成更加增加。

 图2 11B小鼠胚胎E18.5时的新皮质扩张和皮质神经元生成增加

（图片引自：Lei Xing, et al., EMBO J 2021; 40: e107093）

随后，作者进一步将11B小鼠的研究从胚胎期扩展到成年阶段。首先，11B小鼠P56（即出生后第56天）的新皮层的宽度和面积都显著增加（图3 A-C）。其次，11B小鼠胚胎期的皮层厚度和皮层周长的增加能够一直持续到成年期（图3 E, F）。其中CP厚度的增加最为明显（图3 G-I），且CP厚度增加由源于上皮层层（即II+III层）的特殊增厚所导致（图3 J）。与此一致的是，成年的11 B小鼠大脑皮层在P56显示Satb2⁺和Brn2⁺的上层神经元增多（图3 G, H, K, L），而Ctip2⁺的深层神经元没变化（图3 G, M）。这些结果证明：11B小鼠新皮质的扩张和上层神经元数量的增多一直持续到成年，成年WT和11B小鼠的新皮层大小和上层神经元数量的差异可能源于WT和11B小鼠胚胎期大脑发育的不同。

图3 成年11B小鼠大脑P56时新皮层持续扩张和皮层神经元数量增加

（图片引自：Lei Xing, et al., EMBO J 2021; 40: e107093）

接下来，为了进一步探究ARHGAP11B对小鼠神经行为的影响，作者开展了一系列的行为学测试。首先，针对学习和记忆的不同方面，他们进行了四项独立的行为学测试：工作记忆（Y迷宫）、空间学习和记忆（巴恩斯迷宫）、联想记忆（情境恐惧条件反射）和记忆灵活性（IntelliCage）。前三个测试结果表明成年WT和11B小鼠之间差别。然而这并不能排除海马对行为改变的影响。WT和11B小鼠海马的NPCs丰度、新生神经元数量、及ARHGAP11B蛋白水平均无区别。 

相比之下，IntelliCage是一种全自动的行为评估系统，用于评估生活在社会群体中的小鼠的行为，该系统被用于研究11B小鼠的认知功能，特别是长期学习行为，该评估严格依赖于新皮层而不是海马的功能。错误识别率作为初始正确位置学习和错误（即逆转）位置学习的指标，用来评估记忆的灵活性。作者发现，在初始训练阶段，WT和11B小鼠都能找到正确的喝水位置，两者之间没有显著性差异（图4 A, B），但是在逆转方向进行测试中发现11B小鼠能更快的学会逆转规则，不管是雄性还是雌性的错误识别率都明显低于WT（图4 C, D）。这些结果表明：11B成年小鼠的依赖新皮层的认知能力明显得到改善，成年11B小鼠表现出更高的记忆灵活性的神经行为。此外，作者也观察到成年11B小鼠的焦虑水平也有所降低。

图4 11B小鼠的记忆灵活性增强

（图片引自：Lei Xing, et al., EMBO J 2021; 40: e107093）

文章结论与讨论，启发与展望

本研究不仅证实了之前的研究结果，也表明了人类特异性基因ARHGAP11B在发育过程中促进基底祖细胞（BPs）增殖和新皮层扩张，也进一步提供了的一个至关重要的证据，即表现出ARHGAP11B诱导的新皮层大小和皮层神经元数量增加的成年小鼠显示出更高的认知能力。但是对于ARHGAP11B在分子层面是如何诱导皮层的扩张以及上层神经元的增多，未能给出机制方面的解释。

原文链接：https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2020107093

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参考文献（上下滑动查看）  

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【10】N. Kalebic et al., Human-specific ARHGAP11B induces hallmarks of neocortical expansion in developing ferret neocortex. eLife 7,  (2018).

制版︱王思珍

本文完