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科學家家中人類 黑猩猩面部差異的起源

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-11-21瀏覽次數:1749

雖然猿是我們在靈長類動物樹中最親近的親戚,但黑猩猩的臉與人臉完全不同。現在,斯坦福大學醫學院的研究人員已經開始確定如何產生具有幾乎相同遺傳背景的這兩個物種之間的結構差異。

關鍵是如何調節涉及面部發育和人類面部多樣性的基因的數量,時間和位置 - 而不是基因本身之間的差異。特別是,研究人員發現,黑猩猩和人類表達不同水平的蛋白質已知可控制面部發育,包括一些涉及下巴和鼻子長度和皮膚色素沉著。

發育生物學和系統與系統生物學副教授Joanna Wysocka博士說:“我們正在努力了解最近發展過程中發生的DNA變化,并使我們與巨型蟒蛇不同。” “特別是,我們對顱面結構非常感興趣。”它們在頭部形狀,眼睛位置和面部結構方面經歷了許多改編,使我們能夠容納更大的大腦,直立行走甚至使用我們的喉嚨進行復雜的演講。“

研究人員創造了“細胞人類學”一詞來解釋早期靈長類動物發育的某些步驟是如何模仿一道菜并用它來研究基因表達的變化,這些變化揭示了我們最近的進化過去。

一項描述該研究的研究將于9月10日在Cell上發表。研究生Sara Prescott是第一作者。 Wysocka和高級研究科學家Tomasz Swigut博士分享了這項研究的資深作者。

增強區域的作用

為了比較,研究人員專注于人類和黑猩猩基因組中稱為增強子區域的DNA區域。這些區域包含與DNA結合的化學標簽和蛋白質,并控制基因表達的時間,地點和方式。普雷斯科特和她的同事們想知道蛋白質在發育過程中與這些增強子區域結合的方式差異是否可以解釋人類和黑猩猩之間的形態差異。

“我們想看看這些增強區域的活動在最近的演變過程中是如何變化的,”Wysocka說。 “最近的許多研究表明,增強子DNA序列的變化可能介導物種之間的形態差異。”

然而,為了進行這項研究,普雷斯科特和她的同事必須獲得一種特殊類型的細胞,這種細胞僅存在于靈長類動物的早期發育階段。被稱為顱神經嵴細胞的細胞在受孕后約五至六周內起源于人類。雖然它們最初出現在最終成為脊髓的部位,但神經嵴細胞隨著時間的推移而遷移,影響面部形態并分化成頭部,面部骨骼,軟骨和結締組織。

“這些細胞是獨一無二的,”普雷斯科特說。 “如果我們想了解是什么讓人類和黑猩猩與眾不同,我們必須關注來源 - 負責制定這些早期模式決策的細胞類型。如果我們想看后發展或成人組織,我們將看看這些物種。差異,但他們幾乎沒有告訴我們胚胎發生過程中這些差異是如何發生的,但進入早期細胞類型如神經嵴細胞可能非常困難,尤其是在研究靈長類動物時。

為了獲得這種難以捉摸的細胞類型,研究人員使用了由黑猩猩制成的誘導多能干細胞或iPS細胞。由容易獲得的皮膚或血液樣品制成的IPS細胞可以被誘導到其他組織中。雖然來自人類的iPS細胞已經得到很好的研究,但他們最近在Salk生物學研究所擔任遺傳學教授,共同作者Fred Gage博士的實驗室使用黑猩猩。

Prescott和她的同事通過在特定條件下在實驗室中培養它們來誘導人和黑猩猩iPS細胞成為顱神經嵴細胞。然后,他們檢查了整個基因組的增強子區域,尋找不僅活躍的區域,因此可能參與顱面發育,還有那些似乎在人類和黑猩猩細胞之間具有不同模式或活動的區域。

“當然,人類與黑猩猩密切相關,”Wysocka說。 “這兩個物種之間的大部分監管要素是相同的。但我們確實發現了一些差異。特別地,我們發現大約1,000個增強子區域,我們稱之為物種偏倚,意味著它們屬于物種或更有趣和另一物種中的有趣之處在于許多物種偏向的增強子和表達的基因以前已被證明參與顱面發育或者在正常的人類面部變異中。“

鼻子長度,形狀和色素沉著

特別是,研究人員發現,已知影響實驗室小鼠鼻子長度和形狀的兩個基因PAX3和PAX7以及皮膚色素沉著在人類中比黑猩猩更高。低于正常量的PAX3的人具有稱為Warardenburg綜合征的病癥,其包括顱面,聽覺和色素沉著缺陷。人類全基因組關聯研究已經確定PAX3是涉及正常面部變異的區域。

相比之下,已知參與確定雀鱔和魚鯉(稱為慈溪)形狀的另一種基因在人類中表達高于黑猩猩。在小鼠中,這種基因BMP4在顱神經嵴細胞中的過度表達導致面部形狀的顯著變化,包括顱骨的圓度和靠近面部前方的眼睛。

“我們現在正在跟進一些更有趣的物種 - 有偏見的增強劑,以更好地了解它們如何影響形態差異,”Wysocka說。 “很明顯,這些細胞通路可以用來以各種方式影響面部形狀。”

斯坦福大學附屬研究的另一位作者是研究助理Rajini Srinivasan。

該研究得到了美國國立衛生研究院(R01GMO和U01DE),加州再生醫學研究所,WM凱克基金會和創新基金的支持。

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