决定现代人和尼安德特人智力鸿沟的氨基酸

2022-11-22编译刘迪一

世界科学 2022年11期

编译刘迪一

2022年9月8日，一项发表于《科学》杂志的古人类分子生物学研究显示，现代人与尼安德特人的TKTL1基因存在一个碱基对的差异，也正是这处点突变使现代人拥有更多大脑神经元，以及更高水平的智力。论文作者如此评价该基因：“它帮助人类成为真正意义上的人类。”一个碱基对的不同居然能决定两个人种的智力差异？

人类大脑额叶的核磁共振影像

仿佛被上帝亲吻过的神奇大脑令现代人拥有其他任何生物都望尘莫及的智能，完成各种“高维度”的任务，例如使用成熟的语言、为未来制定复杂计划。过去几十年间，科学家一直在比较人类与其他哺乳动物的大脑解剖结构，试图揭示这些复杂功能的进化奥秘。一处最明显的特征在于尺寸——人脑大小是远亲黑猩猩的4倍。

独特解剖学特征也是科学家的观察重点。举个例子，我们眼睛后方的皮层区域叫作额叶，是人类能产生一些高维度复杂想法的关键区域。2018年一项的工作显示，人类额叶的神经元数量远远多于黑猩猩。

不过话说回来，人类祖先与黑猩猩祖先在七八百万年前便已分家，况且拿黑猩猩来跟自己比确实也不算英雄好汉。如果要了解700万年以后的情况，了解过去几十万年间的智人（解剖学意义上的现代人）巅峰，我们必须借助各种远古人类的化石。

TKTL1酶的残基317

古人类学家通过观察头骨化石发现，现代人祖先的大脑尺寸从大约200万年前开始显著增加，并在大约60万年前达到现代人水平。尼安德特人（以下简称“尼人”）是最接近我们的已灭绝人类之一，其大脑尺寸与我们相当。但尼人的大脑形态属于“拉长型”，而人类的则更接近球形。学者们暂时说不出此种差异的根源。一种可能性是我们祖先大脑的多个区域都改变了大小，因此表现为球式扩增。

左右分别示意尼安德特人与现代人的颅骨

近年来，科学家开始借助新材料研究古大脑：针对保存于人类化石里的古DNA片段，进行分子生物学的分析。目前学术界已重建出尼安德特人及其东方近亲丹尼索瓦人（以下简称“丹人”）的完整基因组。

眼下，科学家聚焦现代人、尼人、丹人的基因组，试图找出它们之间潜在的关键差异。人类基因组包含大约19 000个基因，其编码的蛋白质大多与尼人和丹人的相同。不过研究人员也发现了96种专属人类的特异性突变。

神经科学家维兰德·哈特纳（Wieland Huttner）现任职于马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所。2017年，哈特纳实验室的研究员安妮琳·平森（Anneline Pinson）在那96种突变基因里挑出了TKTL1基因，负责编码一种名为“转酮醇酶样蛋白1”（TKTL1）的蛋白质。

关于TKTL1，当时科学家们已知的内容是：它是一种由596个氨基酸残基组成的酶，在尚未成熟的胎儿大脑皮层（尤其是额叶）中表达水平显著增加，也与脑肿瘤细胞的增殖有关。

现代人与尼人的TKTL1基因存在一个碱基对的差异，对应到蛋白质结构上就是一个氨基酸的不同——尼人TKTL1的残基317为赖氨酸，现代人的残基317则是精氨酸。平森博士表示：“我们知道额叶对于认知功能至关重要。所以与额叶密切相关的TKTL1突变可能是一个揭示人类认知奥妙的绝佳线索。”

类脑模型浮现1/96的奥秘

之后，平森和同事们对小鼠和雪貂进行了初步的TKTL1相关实验。他们将人类版本的TKTL1基因注入实验动物的胚胎，结果发现它会导致小鼠和雪貂的大脑在发育过程中产生更多的神经元。而当他们选择注入尼人基因时，神奇的情况没有发生。

接下来，平森等人使用分子剪刀，删去了人类胎儿脑组织细胞（样本来自德国医院的堕胎女性）中的TKTL1基因。结果显示，没有了TKTL1的脑组织会产生更少的神经祖细胞。

接连得到喜人结果后，研究团队开启最后一个实验——微型“大脑类器官”（类脑）的创建和观察：他们对人类胚胎干细胞进行编辑，令其失去专属于人类的TKTL1突变，并以其他物种的突变代替。替代者包括尼人、黑猩猩以及其他哺乳动物。

然后，平森和同事把干细胞放进特定化学浴，后者会诱使其变成一团正在发育的脑组织，也就是大脑类器官。大脑类器官产生祖细胞，继而形成一个由神经元层组成的微型皮层。由未经基因替换的胚胎干细胞发育而来的，自然是标准人类类脑；若被替换了，则形成尼人或黑猩猩的类脑。相比标准人类版本，尼人类脑产生的神经元更少。这表明TKTL1基因的突变帮助我们的祖先产生更多额叶神经元。虽然这种变化并未增加我们大脑的整体尺寸，但它可能重构了神经系统。