科学家用尼安德特人DNA培育-微型大脑

网易科学人
2018-05-23

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网易科学人2018-05-23

据英国《卫报》报道,目前,遗传学家希望对比尼安德特人和现代人类的生理学差异,这将有助于理解人类为什么与众不同。

科学家正在准备培育“微型大脑(miniature brains)”,这是一种包含尼安德特人DNA基因的基因改良计划,是一项前所未有的科学尝试,旨在理解现代人类与人类近亲物种之间的差异不同。

具有尼安德特人基因的“微型大脑”

在未来几个月,一些叫做“大脑类器官”的小型团状组织将从人类干细胞中培育出来,在这些干细胞中编辑了一些“尼安德特人基因”。

扁豆大小的大脑类器官没有思维或者触觉能力,只能复制成年大脑一些基本结构。如果人类和尼安德特人大脑生物学存在显著差异,类器官将首先有所表现。德国马克斯普朗克进化人类学研究所遗传学部主管斯万特·帕博(Svante P??bo)教授称,尼安德特人最接近现代人类,因此我们应当定义他们是一个种群或者人类物种分支,并真实地进行对比研究。

之前帕博成功进行了国际间研究合作,试图破解尼安德特人基因组,目前他们计划在实验室通过复杂基因编辑技术引入尼安德特人基因。该实验室已将尼安德特人颅面发育基因植入老鼠体内,并将尼安德特人疼痛感知基因植入青蛙卵中,这可能暗示他们是否拥有与人类不同的痛阈(pain threshold)。现在该实验室正在试着将研究重点转移至大脑组织。

帕博说:“我们正在观察是否能发现神经细胞功能的差异性,这可能是人类认知能力特殊的根本所在。”长期以来人们对尼安德特人的传统认知是笨头笨脑,行为简单粗暴,然而近年来最新研究将改写人们对尼安德特人的观点,考古发现表明,尼安德特人会埋葬死者、绘制洞穴图画,并且大脑体积比现代人类更大。这项最新研究的动机在于突破对尼安德特人的传统认知,更深入地洞察他们与人类之间的显著差异。

在帕博办公室的地下室,科学家们正在提取远古人类和动物DNA(素有“生命代码”),这些骨骼化石分别来自于全球各地的考古遗址。该研究团队的成功取决于严格的污染预防措施,他们认为通过窗户漂浮进入的灰尘能包含更多DNA,工作人员进入实验室之前必须进行淋浴,然后穿着类似宇航装的衣服,再进行紫外线杀菌消毒和复杂的空气过滤系统。

分析尼安德特人与现代人类的差异

2010年,在这些严格的工作条件下,帕博和研究同事从数万年前欧洲4位女性严重腐烂身体样本中重新组合了尼安德特人基因代码。这些基因表明,尼安德特人曾与我们的祖先发生杂交,并成功地使现今所有非洲之外的人类种族都携带1-4%的尼安德特人DNA。同时,由于人们获得略有不同的基因,大约有三分之一的尼安德特人基因存在于现代人类体内。

然而,也存在着一些基因盲区——尼安德特人大量基因没有继承下来,很可能是由于这些基因对于健康、生育、认知或者外貌带来不利影响。帕博说:“我们希望知道是否这些事情有什么是未被发现的,从而导致人类祖先与尼安德特人之间存在显著差异。为什么现代人类能够繁衍成为数十亿的庞大种群,扩散分布在全球各地,并拥有自己的文化?”

他还指出,当前并不确定这两支人类物种的不同命运是否与认知差异有关,但很容易让人们联想到这一点。最新研究聚焦于对大脑发育至关重要的3种基因的差异性,使用一种叫做“Crispr”的基因编辑技术,现已引入人类干细胞,能使改良基因更接近尼安德特人。

这些干细胞可使用化学触发技术诱导成为神经细胞,它们自发地聚集在一起,并且自发组织形成类似大脑的微型结构,直径能达到几毫米。缺少任何感觉输入意味着内部神经连线是随意的,并且每一个微型大脑都存在差异。

负责类器官实验的研究小组负责人格拉伊·坎普(Gray Camp)说:“培育这个类器官持续9个月,你再看看会发生什么,当然根本不会获得一个完全发育的人类大脑,但是你将看到大脑形成的多样化区域,你可以研究突触、脑电活动,以及早期发育差异。”

科学家将对比尼安德特人和人类的类器官,评估分析干细胞分裂、发育和组织成三维大脑结构的速度,以及是否大脑细胞能以不同方式连接起来。帕博说:“我们期待的一个结果是基因变化能够更加持久,或者产生更多神经元分支。有人会说,这将是为什么人类大脑功能产生差异性的生物学基础。”

这项研究并未揭晓哪支物种更加“智能化”,但可能暗示两者之间在计划能力、社交能力和语言能力方面存在着差异。同时,该实验室还在观察研究尼安德特人基因为什么普遍存在于欧洲和亚洲祖先DNA之中,这些基因影响着大脑发育。通过从人类活体内提取干细胞培育类器官,并观察尼安德特人基因如何开启和关闭,研究小组可以观察人类大脑发育是否受到尼安德特人的微妙影响。坎普说:“我们可以再生尼安德特人大脑结构,并监控和恢复尼安德特人基因的功能。”

该研究小组并非第一个考虑恢复尼安德特人生物特征的科研团队,美国哈佛大学乔治·丘奇(George Church)教授之前认为,如果有一位“具有冒险精神的女性”能够作为代孕母亲,那么将有望克隆出尼安德特人身体。但是帕博对此反驳称,这不仅在道德伦理上令人难以接受,而且现今技术是无法实现的,当前只允许进行少量基因编辑,而不是编辑30000多个基因,用于克隆复制尼安德特人身体。

复制尼安德特人将触及人类伦理底线?

帕博表示,像丘奇这样的评论非常令人失望,因为像我一样的其他研究人员必须非常严谨,不能富有幻想,尤其涉及伦理道德一定要慎重。扁豆大小的微型大脑是否需要考虑人类伦理问题?是的,在某种程度上可以这样讲。发育中的大脑何时能成为个体?但这是非常遥远的事情。

大约40万年前,现代人类和尼安德特人分离成为不同种族,人类祖先仍生活在非洲,尼安德特人则向北迁徙到欧洲。大约6万年前,依据考古记录显示,现代人类出现大规模迁徙,他们离开非洲,再次与尼安德特人相遇,事实上尼安德特人与现代人类的杂交现象比之前预期的更加复杂,从而导致一些人认为这两支物种应当融合成一个种群。但是帕博和其他专家并不同意该观点。

DNA革命如何破译人类起源之谜?

帕博表示,尼安德特人越来越多的证据可能揭晓人类起源谜团,尤其是尼安德特人历史晚期出现的一些绘画作品,但是我自己感到有些惭愧,他们的绘画作品比较抽象,因此我看不出他们所表达的内容。

目前没有证据表明尼安德特人曾探索全球海洋,就像现代人类在10万年前那样,他们可能不具备足够的创造力制造船只。帕博说:“当你不知道外面的世界有什么的时候,在太平洋上航行探索是非常危险的行为,尼安德特人和其它哺乳动物一样,都是非常理性的。他们未看到彼岸是怎样状况,是不会进入海洋之中的。我个人认为,人类发展历史上最大的问题是为什么现代人类会如此疯狂?”

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