基因“快進(jìn)鍵”：科學(xué)家找到人類比黑猩猩更聰明的原因

是什么讓我們成為“人”？為什么唯有人類發(fā)展出了語(yǔ)言、藝術(shù)和科技，而與我們基因最接近的黑猩猩，卻依然停留在原始的生活方式？

600萬(wàn)年前，人類和黑猩猩在進(jìn)化樹(shù)上分道揚(yáng)鑣。從那時(shí)起，人類基因組累積了超過(guò)3500萬(wàn)個(gè)變異。但這些變異中，真正塑造我們獨(dú)特認(rèn)知的關(guān)鍵，究竟隱藏在哪里？

人類和黑猩猩在進(jìn)化樹(shù)上分道揚(yáng)鑣

（圖片來(lái)源：作者使用AI生成）

人類加速區(qū)：基因組中的進(jìn)化“快車道”

為了破解人類智慧的奧秘，科學(xué)家們提出了多種假說(shuō)：

有人認(rèn)為，人類之所以特別，是因?yàn)槲覀冞M(jìn)化出了一些獨(dú)有的基因；也有人指出，某些關(guān)鍵蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的人類特異性氨基酸替換，可能發(fā)揮了重要作用；而其中一類被稱為“人類加速區(qū)”（Human Accelerated Regions，HARs）的基因組片段，尤其引起了廣泛關(guān)注。

這些HARs在其他哺乳動(dòng)物的基因組中，通常是高度保守的，這意味著它們的功能非常重要、輕易不能改變；然而，在人類的進(jìn)化分支上，它們卻像突然“踩了油門(mén)”一樣，快速積累了大量變異。這強(qiáng)烈暗示，HARs可能在大腦進(jìn)化和人類獨(dú)特認(rèn)知能力形成中，扮演著關(guān)鍵角色。

自2006年首次被提出以來(lái)，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)了3000多個(gè)HARs，它們平均長(zhǎng)度約260個(gè)堿基。這些片段大多數(shù)并不編碼蛋白質(zhì)，而是充當(dāng)增強(qiáng)子，就像“導(dǎo)演”一樣，指揮著其他基因的表達(dá)強(qiáng)度。已有證據(jù)表明，不少HARs與大腦發(fā)育密切相關(guān)。但究竟哪些HARs才是真正推動(dòng)人類認(rèn)知進(jìn)化的“核心引擎”，仍是一個(gè)未解之謎。

基因組的“質(zhì)檢員”：NMD通路如何影響大腦進(jìn)化？

近期，一項(xiàng)引人注目的研究聚焦于名為NMD（無(wú)義介導(dǎo)的RNA降解）通路。你可以把NMD通路想象成細(xì)胞內(nèi)的“分子質(zhì)檢員”，它的主要職責(zé)是識(shí)別并清除帶有提前終止密碼子的異常RNA分子，從而防止錯(cuò)誤蛋白質(zhì)生成。

這個(gè)通路的重要性不言而喻：它不僅保障了基因表達(dá)的準(zhǔn)確性，還在神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)元功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。鑒于此，科學(xué)家們推測(cè)：NMD通路中可能隱藏著一些HARs，它們或許參與了人類獨(dú)特認(rèn)知特征的演化過(guò)程。

研究團(tuán)隊(duì)深入分析了NMD通路中24個(gè)關(guān)鍵基因與已知3171個(gè)HARs之間的潛在關(guān)聯(lián)。結(jié)果令人振奮：他們發(fā)現(xiàn)，NMD關(guān)鍵基因SMG6中包含兩個(gè)重要的HARs：HAR53和HAR123。

SMG6基因編碼一種核酸內(nèi)切酶，這種酶在神經(jīng)祖細(xì)胞（一類未分化的多能或?qū)Ｄ芗?xì)胞）向不同類型神經(jīng)細(xì)胞分化的過(guò)程中發(fā)揮作用。通過(guò)功能實(shí)驗(yàn)，HAR123能顯著促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞的生成，而另一個(gè)HAR53卻作用不大。由此，HAR123成功脫穎而出，被認(rèn)為是可能推動(dòng)人類大腦進(jìn)化的關(guān)鍵片段。

HAR123：驅(qū)動(dòng)人類大腦進(jìn)化的“加速鍵”

（圖片來(lái)源：作者使用AI生成）

HAR123：驅(qū)動(dòng)人類認(rèn)知躍升的“關(guān)鍵片段”

盡管HAR123在哺乳動(dòng)物中高度保守，但自人類與黑猩猩分化以來(lái)，這個(gè)片段卻經(jīng)歷了快速而顯著的演化，累積了9個(gè)核苷酸差異。別看這些變化看似微小，卻帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。

首先，作為增強(qiáng)子，HAR123不僅能促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞的生成，更重要的是能精細(xì)調(diào)控神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞之間的比例平衡。這至關(guān)重要，因?yàn)?/strong>神經(jīng)元主要負(fù)責(zé)信息傳遞，而膠質(zhì)細(xì)胞則提供支持和保護(hù)作用，兩者之間的恰當(dāng)平衡，是維持高級(jí)腦功能的基礎(chǔ)。

值得注意的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)HAR123缺失的小鼠表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知靈活性缺陷：它們能夠順利學(xué)會(huì)初始規(guī)則，但在規(guī)則發(fā)生變化后卻難以適應(yīng)調(diào)整。這種靈活的適應(yīng)能力正是人類高級(jí)認(rèn)知的重要組成部分。進(jìn)一步機(jī)制研究揭示，HAR123的缺失會(huì)破壞海馬區(qū)神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞的正常比例，而海馬正是負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)、記憶和認(rèn)知靈活性調(diào)控的關(guān)鍵腦區(qū)。

其次，HAR123表現(xiàn)出顯著的物種特異性。人類版本的HAR123在促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞生成方面，顯著優(yōu)于黑猩猩同源序列，并且其增強(qiáng)子活性在前腦區(qū)域更為突出。相比之下，黑猩猩版本的HAR123則主要影響后腦發(fā)育。這種表達(dá)模式的空間差異，很可能是人類大腦獨(dú)特功能格局形成的重要基礎(chǔ)。

此外，HAR123還與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。該序列所在的17p13.3基因組區(qū)域若發(fā)生缺失，可能導(dǎo)致Miller-Dieker綜合征等罕見(jiàn)神經(jīng)發(fā)育障礙。同時(shí)，神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞比例失衡已被證實(shí)與自閉癥、精神分裂癥等神經(jīng)發(fā)育疾病，以及阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)共同提示，HAR123不僅對(duì)正常神經(jīng)發(fā)育至關(guān)重要，還可能參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生與發(fā)展。

HAR123的研究，為理解人類認(rèn)知的演化提供了清晰而有力的證據(jù)，并首次構(gòu)建了從基因序列到高級(jí)認(rèn)知行為的完整鏈條。

或許，正是這些隱藏在基因組“暗物質(zhì)”中的細(xì)微變化，悄然塑造了人類獨(dú)特的思維方式與文明進(jìn)程。HAR123的發(fā)現(xiàn)，僅僅是人類探索自身奧秘道路上的一小步。未來(lái)，更多深藏的基因組“密碼”將被逐一揭開(kāi)，幫助我們更接近大腦進(jìn)化的奧秘。

參考文獻(xiàn)：

[1] Tan K, Higgins K, Liu Q, et al. An ancient enhancer rapidly evolving in the human lineage promotes neural development and cognitive flexibility[J]. Science Advances, 2025, 11(33): eadt0534.

[2] Pollard K S, Salama S R, Lambert N, et al. An RNA gene expressed during cortical development evolved rapidly in humans[J]. Nature, 2006, 443(7108): 167-172.

出品：科普中國(guó)

作者：姜旋（生物學(xué)博士）

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