人 類

人類大腦進化的基因組調控機制

人類大腦起源于漫長的生命進化過程，其最顯著的改變是大腦的認知功能，反映在腦容量的顯著擴大和腦結構的高度精細化。人類進化過程中，哪些遺傳改變造就了人類大腦是國際科學界長期力圖解決的科學問題。所有器官包括大腦的形成都是通過發(fā)育過程來實現的。人類獨特的腦發(fā)育模式源于在進化過程中基因組不斷積累的功能性突變。然而，由于物種間存在數以百萬計的序列差異，而其中只有少數的關鍵差異才具有重要的功能效應，如何將基因組中的關鍵序列差異與腦發(fā)育的調控改變之間建立因果聯(lián)系并解析其中的分子調控機制是頗具挑戰(zhàn)性的課題。靈長類動物作為生物學和醫(yī)學研究模型已有近百年的歷史。獼猴與人類具有較近的親緣關系，在人類大腦的起源、發(fā)育機制和腦疾病的研究中，獼猴是最理想的動物模型。

哺乳動物（包括人類）的基因組通常長約2米，折疊在僅有10微米的細胞核中?；蚪M在細胞核的三維空間中是有序折疊的。這樣的有序折疊對發(fā)育過程中細胞的增殖和有序分化是至關重要的。全基因組染色質空間構象捕獲（簡稱Hi-C）等最新高通量組學技術的開發(fā)為精細解析大腦發(fā)育過程中基因組的三維組織方式和分子調控機制提供了強大的工具。近期，研究者通過學科交叉合作開展了跨物種腦發(fā)育3D基因組的研究。首先，利用Hi-C技術構建了中國獼猴胎腦神經發(fā)育高峰期的高分辨3D基因組圖譜。這是目前包括人類在內的靈長類大腦分辨率最高的3D基因組圖譜，可以高精度地解析腦發(fā)育中基因組的空間組織方式。同時，還解析了獼猴胎腦的轉錄組圖譜、染色質開放區(qū)圖譜以及染色質錨定蛋白CTCF的分布圖譜。綜合這些獼猴胎腦的多組學圖譜數據，研究人員首次構建了獼猴胎腦發(fā)育的染色質精細空間構象，鑒定了包括染色質區(qū)室、染色質拓撲結構域（簡稱TAD）以及染色質環(huán)(簡稱Loop)等不同尺度的染色質構象，以及基因組在大腦發(fā)育中發(fā)揮重要作用的調控元件（如增強子、啟動子等）。通過與已發(fā)表的公共數據整合，研究人員接著進行了跨物種3D基因組的比較（人類、獼猴和小鼠），該研究發(fā)現了數量眾多的人類特異染色質結構，包括499個人類特異TADs和1266個人類特異Loops。這些人類特異Loops顯著富集增強子-增強子互作的調控模式，提示大腦發(fā)育在人類祖先中進化出更為精細的轉錄調控網絡。（Cell 2021，184:723-740.e21.）

早期人屬與東亞典型直立人的中間狀態(tài)

梅鋪古人類地點位于湖北鄖縣梅鋪鎮(zhèn)杜家溝龍骨洞，地處秦嶺山脈東段南麓。1974年中國科學院古脊椎動物與古人類研究所野外隊在河南淅川縣調查時獲悉梅鋪化石線索，次年發(fā)現4顆人類牙齒，同時發(fā)現一件石核和20余種哺乳動物化石。2016-2017年，研究者通過鈾系年代數據和古地磁分析確定其年代為距今78-99萬年，即早更新世。通過傳統(tǒng)的形態(tài)觀測、micro-CT和幾何形態(tài)測量發(fā)現：1）梅鋪古人類牙齒表現出與早期人屬成員近似的特征，包括上中門齒中等程度的鏟形、舌側光滑；上第四前臼齒較寬的舌側尖；上第一臼齒近似方形的齒冠外輪廓；2）梅鋪古人類牙齒又表現出與東亞晚期直立人接近的特征，包括上中門齒中等程度的唇側面近遠中隆起；下中門齒較強的唇側面近遠中隆起?？傮w上來講，梅鋪古人類牙齒表現出來的特征使得其處于早期人屬或早期直立人和東亞晚更新世直立人的中間狀態(tài)。研究將梅鋪古人類與歐亞大陸早期直立人甚至非洲早期人屬成員、東亞發(fā)現的晚期直立人聯(lián)系起來，在一定程度上彌補了因材料的稀缺和保存狀況不佳而導致的我們對東亞早更新世古人類形態(tài)特點和演化地位的認識不足。（Journal of Human Evolution 2021, 151,https://doi.org/10.1016/j.jhevol.2020.102924）

20萬年前古人類的石器技術與生態(tài)適應

中國黃土高原的“黃土-古土壤序列”不僅完整地保留了第四紀冰期-間冰期多旋回的古氣候記錄，同時蘊含著豐富的古人類文化遺存。甘肅張家川縣楊上舊石器遺址于2013年開始發(fā)掘，發(fā)掘面積約12平方米，揭露近6米厚的多個含舊石器文化遺物的層位。遺址年代跨度在距今約22萬年到10萬年前，是目前黃土高原西部發(fā)現的年代最早的舊石器遺址之一。遺址多個文化層代表了古人類對遺址長時間較為持續(xù)性的利用，對揭示黃土高原西部古人類與環(huán)境的互動過程具有重要價值。通過對遺址三個主文化層（距今約20-15萬年）石制品技術特征的統(tǒng)計分析與層位間歷時性演變的研究，發(fā)現楊上遺址石制品以脈石英為主要原料，間冰期石制品組合體現出石制品“裝備地點”技術組織策略的特征，對于原料的開發(fā)利用程度也相對較低，顯示出低頻流動的生活模式，遺址利用也較為長期和穩(wěn)定；冰期體現了石制品“裝備個人”的技術組織特征，對于原料的開發(fā)利用程度增加，優(yōu)質原料占比也有顯著增加，反映了黃土高原西部的古人類通過增加流動頻率與覓食距離來應對氣候干冷化加劇的資源斑塊化，遺址每次的利用時間也可能隨之下降。（Quaternary Research, 2021,https://doi.org/10.1017/qua.2020.114）