Science | 灵长类背外侧前额叶皮质分子和细胞水平的进化图谱

撰文︱马少捷

责编︱王思珍

编辑︱杨彬薇

漫长的进化让我们人类发展出了一系列区别于其他物种，包括和人类亲缘关系很近的灵长类的高级的认知和复杂的社会行为。然而，又是什么样的机制让人类进化出了这些特质？毋庸置疑，大脑是这一系列复杂特化的中心，而其中的前额叶皮质（prefrontal cortex）又非常的关键。该脑区在灵长类中高度特化，并且拥有更大的体积和更复杂的结构，同时有非常清晰的第四层颗粒层（granular layer 4）[1-2]。而其中的背外侧前额叶皮质（dorsolateral prefrontal cortex）是一个只存在于灵长类动物中的结构[1]。并且其在灵长类的独特存在，让灵长类的前额叶皮质和其他脑区形成了更为丰富的神经元连接，而这也是认知形成的关键基础。同时背外侧前额叶皮质的功能障碍也和多种精神疾病相关，比如自闭症、精神分裂症和癫痫[3-4]。然而是什么样的细胞构成，以及什么样的进化上的特化机制让人类的前额叶皮层在认知与疾病中具有如此关键的作用，目前尚不清楚。

2022年8月25日，耶鲁大学医学院的Nenad Sestan团队、Stephen M. Strittmatter团队，以及威斯康辛大学麦迪逊分校的Andre M.M. Sousa团队合作在《科学》（Science）上发表了题为“Molecular and cellular evolution of the primate dorsolateral prefrontal cortex”的文章，揭示了灵长类背腹侧前额叶分子与细胞水平的进化图谱。马少捷与MarioSkarica为共同第一作者，李倩、许川、梁丹、齐才和清华大学助理教授米达为文章共同作者。在该研究中，作者通过分析了成年人类（Human）、黑猩猩（Chimpanzee）、恒河猴（Macaque）以及狨猴（Marmoset）的背外侧前额叶皮质的单细胞核转录组，绘制了该脑区在灵长类中的细胞类型图谱。并且通过基于此图谱的物种间比较分析，作者揭示了丰富的物种间细胞和分子水平差异，包括发现了物种特异的细胞亚型，以及一个精神疾病易感基因FOXP2在皮质第四层的兴奋性神经元中存在灵长类特异性的表达，以及在小胶质细胞中存在人类特异性表达。

在该研究中，作者首先通过单细胞核转录组测序，系统的分析了来自成年人类、黑猩猩、恒河猴以及狨猴的背外侧前额叶皮质（图1 A）的共计约600,000细胞核转录组。这些物种的选取一方面代表了与人类亲缘关系远近不同的物种，其中黑猩猩与人类亲缘关系最近，恒河猴次之，狨猴最远。通过将人类与这些物种进行比较分析，将能够更有力地寻找到人类特异的变化。另一方面，它们代表了灵长类的几个关键的系统发育分支，包括人族（这里指人类和黑猩猩）、狭鼻小目（这里指人类、黑猩猩和恒河猴）和阔鼻小目（这里指狨猴），可以更清晰地揭示灵长类的进化规律。通过聚类分析，作者构建了多层次相互关联的共计114个转录组水平的细胞类型的图谱（图1 B）。通过标记基因的表达和多维度整合分析，作者证明这114个转录组水平的细胞类型分别代表了具有不同形态、生理学和功能的细胞类型。比如兴奋性神经元亚型代表了分布于不同皮质层，并且具有不同投射类型的神经元，抑制性神经元包括了常见的SST、PVALB、VIP和LAMP5等亚型，而非神经元细胞则包括众多亚型的胶质细胞，免疫细胞和血管相关细胞。这是目前最为详尽的灵长类背外侧前额叶皮质的细胞亚型图谱，同时也为作者后续进行物种间比较分析，提供了非常坚实的基础。

图1 灵长类背腹侧前额叶皮质进化图谱

（图源：Ma S. et al., Science, 2022）

在细胞水平，作者探究了三种类型的进化方式（图2 A）。首先，进化学上一个非常关键的问题为是否存在物种特异的，包括人类特异的细胞类型？该研究中，作者发现定义的114种细胞型里，有5种并不是所有物种中都存在的。这包括一种狭鼻小目特有的皮质上层兴奋性神经元和一种人类特有特有的小胶质细胞（图2 B）。该人类特有的小胶质细胞在胚胎发育期就出现，一直持续到成年脑中，说明该细胞亚型可能具有重要的维持稳态，而非对抗疾病的作用。其次，即使细胞类型总体上是保守的，但是它们可以在各个物种中调整它们的相对丰度，从而形成不同的细胞功能网络。作者发现，人类的上层兴奋性神经元丰度高于其它物种，同时狭鼻小目的上层兴奋性神经元，即投射到其它皮质的神经元的丰度也高于阔鼻小目。相反，部分下层的兴奋性神经元，主要是投射到皮质下的神经元，丰度却在狭鼻小目（相比于阔鼻小目）中下降（图2 B）。这可能是由于相较于皮质下，新皮质有更大的扩增，相对的稀释了投射到皮质下的神经元。最后，进化上同源的细胞类型的异质性也可能存在差异，即细胞与细胞之间转录组差异可能在一个物种中上升或者下降。通过对转录组熵的分析，作者发现狭鼻小目的多个细胞型的细胞异质性相比于阔鼻小目有大幅提升，包括上层的兴奋性神经元（图2 C）。综上，通过多维度的细胞水平比较，作者发现狭鼻小目的上层兴奋性神经元在细胞亚型、丰度以及异质性都存在明显的提升。这既证明了，也进一步完善了灵长类的脑皮质扩增（cortical expansion）理论。

图2  背腹侧前额叶皮质的细胞水平进化

（图源：Ma S. et al., Science, 2022）

另一方面，即使大多数细胞类型广泛存在于各个灵长类物种，但是它们的基因表达可能存在巨大差异。转录组相关性分析发现胶质细胞和其它非神经元细胞在物种间存在最显著的基因表达水平的差异。其中，作者在小胶质细胞里面发现了一个非常有意思的人类特有的变化，即FOXP2基因的表达（图3）。诸多研究表明FOXP2的突变可能导致失语症，并且和多种精神疾病相关，包括自闭症、精神分裂症和癫痫[5-6]。FOXP2不在其他灵长类小胶质细胞表达，然而却在人类的小胶质细胞中表达。鉴于小胶质细胞和FOXP2相关的精神疾病存在重要关联，FOXP2的人类特异性表达进一步揭示了该基因的重要性。除此之外，FOXP2也在第四层兴奋性神经元存在灵长类特异的表达（图3）。

为了进一步了解物种特异的FOXP2表达是如何被调节的，以及FOXP2作为一个转录因子是否也会调节下游基因产生物种间差异的表达，作者继而在人类背外侧前额叶皮质运用了单细胞多组学测序（转录组和染色质可及性）并对这两种数据进行整合分析。该分析发现了多个细胞类型特异的顺式转录调控元件和FOXP2的表达相关，同时也预测了多个潜在的FOXP2的下游被调控基因，包括已经报道过的NFIA和NFIB [7]。该分析也揭示了新的基因，其中有些和FOXP2存在相似的物种特异型表达模式，比如唐氏综合征基因DSCAM在小胶质细胞中存在人类特异性表达，以及可以调控树突脊发育的IL1RAPL2基因在第四层兴奋性神经元存在灵长类特异的表达，该表达可能和物种间前额叶皮质的树突脊丰度差异相关。

图3 细胞类型和物种特异的FOXP2表达模式

（图源：Ma S. et al., Science, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究系统地呈现了一个高分辨率的灵长类前额叶皮层的细胞类型图谱，并揭示了这些细胞亚型的进化上的同源性，发现了众多细胞与分子水平的跨物种间差异，包括人类特有的变化。结合染色质可及性数据，该研究也进一步提示了部分物种间基因表达差异的相关调控机制。同时，作者发现这些进化上保守的和差异的特征和很多重要的细胞通路和精神疾病相关，这为以后研究前额叶皮质功能、进化以及疾病打下了非常坚实的基础。尽管如此，该研究缺少相关证据来解释这些人类特有的变化，包括特有的细胞类型和基因表达是通过什么样的机制对于认知和精神疾病产生影响。希望未来通过多维度、多种类的数据和功能性实验可以进一步揭示人类特有的分子细胞水平变化和认知以及疾病之间的关联机制。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo7257

共同第一作者马少捷（左一），通讯作者Nenad Sestan （左二），Andre Sousa （右二），Stephen M. Strittmatter（右一）

（照片提供自：Nenad Sestan实验室）

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参考文献（上下滑动阅读） 

[1] T. M. Preuss, S. P. Wise, Evolution of prefrontal cortex. Neuropsychopharmacology 47, 3-19 (2022).

[2] H. Barbas, General cortical and special prefrontal connections: principles from structure to function. Annu Rev Neurosci 38, 269-289 (2015).

[3] D. A. Lewis, K. Mirnics, Transcriptome alterations in schizophrenia: disturbing the functional architecture of the dorsolateral prefrontal cortex. Prog Brain Res 158, 141-152 (2006).

[4] A. J. Willsey et al., Coexpression networks implicate human midfetal deep cortical projection neurons in the pathogenesis of autism. Cell 155, 997-1007 (2013).

[5] C. S. Lai, S. E. Fisher, J. A. Hurst, F. Vargha-Khadem, A. P. Monaco, A forkhead-domain gene is mutated in a severe speech and language disorder. Nature 413, 519-523 (2001).

[6] J. den Hoed, K. Devaraju, S. E. Fisher, Molecular networks of the FOXP2 transcription factor in the brain. EMBO Rep 22, e52803 (2021).

[7] S. L. Hickey, S. Berto, G. Konopka, Chromatin Decondensation by FOXP2 Promotes Human Neuron Maturation and Expression of Neurodevelopmental Disease Genes. Cell Rep 27, 1699-1711 e1699 (2019).

本文完