摘要：在物种演化的历史长河中，现代智人（Homo sapiens）脑容量的扩张是最显赫的成就之一。大约6-7百万年（ma）前, 人类在进化树上与最亲近的猿类亲属黑猩猩（Pan troglodytes ）分离，开始了独立进化出自己的分支【1】。人类和黑猩猩的基因组中蛋

在物种演化的历史长河中，现代智人（Homo sapiens）脑容量的扩张是最显赫的成就之一。大约6-7百万年（ma）前, 人类在进化树上与最亲近的猿类亲属黑猩猩（Pan troglodytes ）分离，开始了独立进化出自己的分支【1】。人类和黑猩猩的基因组中蛋白编码区域的DNA相似性约99.1%，这也就意味着DNA双链中决定参与“中心法则”的遗传密码并不能完全解释人类和猿类的差异。1975年, King和Wilson提出人类和黑猩猩的进化奥秘深藏于基因的表达调控差异【2】。

人类加速进化区（Human Accelerated Regions,HARs）是哺乳动物基因组里大量分布的高度保守的DNA序列，然而这些DNA片段在人类分支进化后会出现加速积累的固定的核苷酸替换。由于HARs在染色质上非常靠近神经发育相关的基因，20年来人们尝试从这些序列中寻找人脑进化的答案，目前基于组学（omics）研究已知人类基因组中有约3000个HARs片段平均分布于各个染色体中【3】，平均长度约300bp, 而且，约50%的HARs在神经系统中作为增强子形式存在【4】，并且参于神经元的成熟【5】。 然而，HARs序列是通过怎样的生物学机制调控人类脑容量扩张，目前仍是未知。

2025年5月14日，美国杜克大学的Debby Silver团队在Nature杂志上发表题为

研究人员通过分析人脑HiC, DNaseI-seq以及H3K27ac ChIP-seq的数据，从已有的HAR序列库里初步鉴定出人类加速进化区增强子HARE5 (HAR enhancer No.5)。HARE5（别名ANC516; HARsv2_0258）位于人类第10号染色体（Hg38chr10:35949493-35950111），全长619bp包含4个人类特异的核苷酸替换（substitution）。HARE5在人脑神经干细胞中作为高活性的增强子, 直接调控靶标基因FZD8(Fizzled8)的转录水平。FZD8作为WNT信号通路的受体之一，特异表达于人、猕猴以及小鼠的大脑皮层神经干细胞（Radial Glia Cells, RGCs）表面。为了进一步挖掘HARE5的生物学功能，研究人员通过把小鼠基因组中的序列（Mm-HARE5）替换成人源序列（Hs-HARE5），获得了基因组片段敲入（knock-in）的人源HARE5小鼠。分析显示，人源HARE5成年小鼠表现为5%的皮层面积扩张和显著增多的成熟兴奋性神经元。功能性钙成像结果显示，脑容量的增加会促进功能性脑区之间的独立性，具体表现为脑区之间的连接（cortical connectivity）变弱。这一实验结果也对人脑神经连接的进化有重要启示，即在脑容量增大的过程中，脑区的功能特异性和面积扩张到底应该如何达到平衡。

图1. HARE5微调控小鼠大脑皮层构建和神经连接

脑容量的改变主要源自于胚胎发育过程中大脑皮层构建的差异。于是，为了进一步探索人和黑猩猩大脑皮层发育的差别和调控机制。研究人员通过CRISPR-Cas9的方法对人类胚胎干细胞系（ESCs, H9）进行knock-in基因组编辑，将Hs-HARE5序列替换成黑猩猩序列（Pt-HARE5），并将其诱导成皮层类脑器官。尽管人类和黑猩猩化的类脑器官之间并没有明显的形态和结构区别，但是进一步的分析显示，基因组中携带Pt-HARE5的人脑神经干细胞，会由于低活性的增强子造成经典WNT信号（canonical WNT signaling）的减弱，从而导致神经干细胞的数量和增殖能力的会显著降低。此外，胚胎期人源HARE5小鼠的WNT reporter的检测实验以及不同时期大脑皮层的RNA测序都证实，HARE5是通过调控经典WNT信号通路在早期神经干细胞RGCs中的水平来影响皮层的构建。与此同时，研究人员也通过CRISPR-Cas9的方法对黑猩猩诱导多功能干细胞系（iPSCs, C3649）进行knock-in基因组编辑，将Pt-HARE5序列替换成人类序列（Hs-HARE5），并将其诱导成皮层神经干细胞。细胞周期分析显示，基因组中携带Hs-HARE5的黑猩猩皮层神经干细胞增殖能力的会显著增加。值得注意的是，对古老信号通路的调控（比如FGF-ERK[6]；mTOR[7]），逐渐被认为是人脑大脑进化的重要方式。

图2. HARE5的序列差异导致人类和黑猩猩神经干细胞增殖能力差异

总的来说，这项工作通过丰富的研究手段和物种模型，首次确定了人类基因组中的HARs直接调控人类脑容量扩张的细胞与分子机制。这一研究为理解微小的基因组序列改变如何推动人类大脑在灵长类分支的独特演化的分子层面提供了新证据, 也为理解大脑发育的复杂调控和致病过程开辟了新的视角和方向。

百万年的自然选择，在人类的基因组中积累出了复杂而繁多的变异，其中包含单核苷酸多态性 (SNP)，DNA片段的插入或缺失（INDELs），片段重复（SD），拷贝数变异（CNV）等等。这些基因组内的原始驱动力像是普罗米修斯带给人类的火种，让我们作为漫长时光里的朝圣者在某一个瞬间长出了灵活对掌的拇指，学会了直立行走，创造了语言和文明。仰观宇宙之大，是仰望头顶的星空，也是内观繁星点点的基因组。HARE5生物学功能被挖掘加深了我们对HARs在物种进化中的作用和理解，但终究只是非编码序列调控元件与大脑进化研究的冰山一角。HARs如何参与现代智人与古人类的进化； 调控序列如何与细胞特异的转录因子协同进化；人类染色质特异的精细空间构象（TAD, Loop）又是如何完成皮层发育调控的生物学功能【8】；不同的调控元件（cis和trans）之间如何完成多级调控，等等。都依然存在大量等待探索的科学问题。

杜克大学Debby Silver团队的刘静 (Jing Liu) 博士为本文的第一作者，Debby Silver教授为通讯作者。刘静博士即将在中国科学技术大学开展独立的实验室。由衷欢迎对探索人类大脑进化机制有着强烈兴趣的学者加入我们。

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制版人： 十一

参考文献

1.Pollen, A.A., et al., Human-specific genetics: new tools to explore the molecular and cellular basis of human evolution.Nature Reviews Genetics, 2023.24(10): p. 687-711.

2.King, M.-C. and A.C. Wilson, Evolution at Two Levels in Humans and Chimpanzees.Science, 1975.188(4184): p. 107-116.

3.Lindhout, F.W., et al., A molecular and cellular perspective on human brain evolution and tempo.Nature, 2024.630(8017): p. 596-608.

4.Girskis, K.M., et al., Rewiring of human neurodevelopmental gene regulatory programs by human accelerated regions.Neuron, 2021.109(20): p. 3239-3251.e7.

5.Cui, X., et al., Comparative characterization of human accelerated regions in neurons.Nature, 2025.640(8060): p. 991-999.

6.Zhang, Z., et al., ERK and PKA signaling drive the evolutionary expansion of the cortex.bioRxiv, 2025: p. 2025.04.09.647935.

7.Andrews, M.G., L. Subramanian, and A.R. Kriegstein, mTOR signaling regulates the morphology and migration of outer radial glia in developing human cortex.eLife, 2020.9: p. e58737.

8.Luo, X., et al., 3D Genome of macaque fetal brain reveals evolutionary innovations during primate corticogenesis.Cell, 2021.184(3): p. 723-740.e21.

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来源：CEO扒科学