在當(dāng)代神經(jīng)科學(xué)的最前沿，研究者正試圖回答一個宏大問題：人類大腦何以如此獨特？我們的語言、認知和推理能力遠超其他哺乳動物，其基礎(chǔ)之一便是高度復(fù)雜的大腦皮層結(jié)構(gòu)。在進化過程中，皮層的形成不僅依賴于神經(jīng)祖細胞（ NPCs）的擴增與分化，也受制于調(diào)控序列的物種特異性表達。人類加速進化區(qū)（Human Accelerated Regions, HARs）是一類在哺乳動物中高度保守的非編碼序列，是人類與黑猩猩從進化上分開以后進化最快的區(qū)域。HARs被認為在人類大腦皮層衍進中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但具體功能與機制尚不清楚。
2025年5月14日，杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院Debra Silver教授團隊在頂刊Nature發(fā)表了題為“A human-specific enhancer fine-tunes radial glia potency and corticogenesis”的研究文章，通過基因編輯小鼠和皮層類器官模型首次發(fā)現(xiàn)，人類加速進化區(qū)的增強子HARE5通過激活經(jīng)典WNT信號通路促進神經(jīng)祖細胞增殖，從而促進了人類大腦皮層發(fā)育與進化。該研究為人類大腦皮層的復(fù)雜性和獨特性提供了新的解說。
01 HARE5的生理定位及功能
研究人員首先發(fā)現(xiàn)，在皮層發(fā)育早期，人類特異性增強子HARE5富集于神經(jīng)前體細胞（NPCs）中，作為高活性增強子顯著上調(diào)了靶基因Frizzled8（FZD8）表達。
圖：Hs-HARE5促進皮質(zhì)發(fā)育過程中神經(jīng)祖細胞的擴增
FZD8屬于Frizzled受體家族，是WNT信號的關(guān)鍵下游受體之一，在出生前人類新皮質(zhì)中具有顯著高于恒河猴及小鼠的表達水平。為了驗證HARE5誘導(dǎo)的FZD8表達上調(diào)是否與皮層發(fā)育相關(guān)，研究人員在小鼠模型中敲入人源HARE5（Hs-HARE5），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠皮層面積及成熟興奮性神經(jīng)元數(shù)量顯著增加6.5%。功能性鈣成像技術(shù)也顯示，Hs-HARE5在小鼠皮層區(qū)域重塑了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接狀態(tài)。此外，在早期神經(jīng)發(fā)育過程中，Hs-HARE5也增強了神經(jīng)祖細胞的自我更新能力及神經(jīng)發(fā)生潛力。
以上結(jié)果指出，在生理條件下，人類特異性突變HARE5通過上調(diào)FZD8表達促進皮層發(fā)育。
圖：Hs-HARE5促進小鼠皮層擴張和新皮層連接
02 從黑猩猩到人類：HARE5四個核苷酸突變造成的皮層發(fā)育差距
在證明了HARE5與大腦皮層發(fā)育的緊密關(guān)系后，研究人員試圖進一步探索HARE5與皮層進化的關(guān)系。人類和黑猩猩的HARE5在超保守區(qū)域中存在四個核苷酸的突變。在此，研究人員引入人類和大猩猩皮層類器官模型，對HERE5突變的影響進行了深入研究。
類器官是一種體外自組織3D結(jié)構(gòu)，與來源組織具有分子水平和細胞結(jié)構(gòu)上的相似性，因此已成為體外機制探索的良好平臺。本文中，研究人員首先利用基因編輯技術(shù)將人胚胎干細胞（ESC）中的Hs-HARE5序列基因替換為黑猩猩HARE5序列（Pt-HARE5），而后將ESC誘導(dǎo)分化以形成人皮層類器官。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，FZD8表達及NPC有絲分裂顯著下降，表明皮層類器官失去了人類高度發(fā)達的皮層特性。
相對，在黑猩猩皮層類器官中敲入Hs-HARE5則完全逆轉(zhuǎn)了上述表型，說明四個位點的突變即可跨物種增強NPC的增殖能力，這與基因編輯小鼠模型中的觀察結(jié)果一致，再次論證了Hs-HARE5對于人類皮層復(fù)雜性和功能性的重要意義。
圖：人類特異性HARE5變體通過改變增強子活性直接影響人類和黑猩猩的 NPC 增殖
進一步的分子機制分析顯示，無論是在體內(nèi)小鼠模型、體外NPC轉(zhuǎn)染還是類器官中，Hs-HARE5組內(nèi)WNT活性均有顯著提升。此外，F(xiàn)ZD8過表達實驗亦能部分復(fù)制Hs-HARE5的效應(yīng)。激動劑CHIR99021也能以劑量依賴性方式顯著促進了人NPC的增殖，進一步驗證了其與WNT通路激活之間的聯(lián)系。
圖：Hs-HARE5通過典型的 WNT 信號傳導(dǎo)促進祖細胞增殖
Wnt / novoprotein
WNT信號通路是一類高度保守的細胞通訊機制，在胚胎發(fā)育、細胞命運決定與組織再生中發(fā)揮核心調(diào)控作用。此先的研究表明，大腦發(fā)育過程中，經(jīng)典WNT通路通過Frizzled受體及β-catenin依賴機制調(diào)控神經(jīng)前體細胞（NPC）的自我更新、增殖以及神經(jīng)發(fā)生。
在腦類器官構(gòu)建中，WNT信號是皮層祖細胞發(fā)育及神經(jīng)譜系建立所不可或缺。在其他類型的類器官（如腸道、心臟、胃、肺、視網(wǎng)膜、乳腺和前列腺類器官）中，WNT3a 也是最常使用的細胞因子之一。
近岸蛋白提供經(jīng)過多種類器官模型體外培養(yǎng)驗證的高純度，高活性，低內(nèi)毒素的Wnt3a V3蛋白。
03 總結(jié)
本文利用類器官模型和基因編輯技術(shù)，清晰地描繪出HARE5通過WNT通路調(diào)控神經(jīng)祖細胞增殖、進而塑造人類大腦皮層演化路徑的分子機制。發(fā)現(xiàn)人HARE5中四個核苷酸的突變決定了人類大腦皮層區(qū)別于黑猩猩的復(fù)雜特性，為人類大腦的發(fā)育進化及相關(guān)腦部疾病的病理研究提供了重要啟示。
近岸蛋白相關(guān)產(chǎn)品
近岸蛋白提供多種類器官體外培養(yǎng)全方案，包括基質(zhì)膠、培養(yǎng)基、相關(guān)細胞因子等：
經(jīng)類器官培養(yǎng)驗證的完全培養(yǎng)基
經(jīng)類器官培養(yǎng)驗證的細胞因子
NovoMatrix 基質(zhì)膠
