人类与类人猿尾巴消失的遗传基础研究

研究团队与发表信息

本研究由Bo Xia（哈佛大学、Broad研究所）、Weimin Zhang（纽约大学Langone健康系统）、Guisheng Zhao（纽约大学Langone健康系统）等来自多个机构的科学家合作完成，于2024年2月29日发表在Nature期刊（第626卷，第1042-1048页）。

学术背景

科学领域与研究动机

该研究属于进化发育生物学（Evo-Devo）领域，聚焦于人类和类人猿（hominoids）在演化过程中尾巴消失的遗传机制。尾巴的消失是灵长类进化史上最显著的身体结构变化之一，被认为可能促进了人类直立行走（bipedalism）的演化。然而，导致类人猿尾巴消失的具体遗传机制此前尚不明确。

研究目标

本研究旨在：
1. 鉴定导致类人猿尾巴消失的关键遗传变异；
2. 验证这些变异如何通过调控基因功能（如选择性剪接，alternative splicing）影响尾巴发育；
3. 探索尾巴消失可能带来的演化代价（如神经管缺陷的风险）。

研究流程与实验方法

1. 比较基因组学分析

研究团队首先筛选了140个与脊椎动物尾巴发育相关的基因（数据来自Mouse Genome Informatics, MGI数据库），重点关注这些基因在类人猿（人类、黑猩猩、大猩猩等）及其近亲旧大陆猴（如狒狒、猕猴）之间的序列差异。

• 样本与数据：分析了31个灵长类物种的基因组数据，包括6种类人猿和2种有尾猴（作为外类群）。
  
• 方法：通过多序列比对（multiz30way）鉴定类人猿特异的遗传变异（单核苷酸变异SNV、插入缺失indel）。
  
• 关键发现：在TBXT基因（编码中胚层发育关键转录因子）的第6内含子中发现了一个类人猿特异性的AluY转座子插入。
  

2. AluY插入的功能验证

研究者假设AluY与邻近的反向AluSX1元件配对，形成RNA二级结构，导致TBXT前体mRNA发生外显子跳跃（exon skipping），生成TBXTΔexon6剪接变体。

• 细胞实验：
  
  • 使用CRISPR-Cas9在人类胚胎干细胞（ES细胞）中删除AluY或AluSX1，发现两种操作均消除了TBXTΔexon6剪接变体的产生。
    
  • 通过体外分化实验模拟胚胎中胚层发育，证实TBXTΔexon6在类人猿中存在，而在小鼠中不存在。
    

3. 小鼠模型构建

为验证TBXTΔexon6的功能，研究团队构建了多种基因编辑小鼠模型：

• TBXTΔexon6/+小鼠（杂合子）：同时表达全长和Δexon6剪接变体，模拟人类TBXT表达模式。

  • 表型：21/63杂合子小鼠表现为无尾或短尾，表型外显率不完全（与剪接变体表达量相关）。
    
  • 验证：捕获测序（capture-seq）证实无脱靶突变。
    

• TBXTinsAluY/AluSX1小鼠：在小鼠TBXT基因中插入人类AluSX1-AluY配对序列，成功诱导外显子跳跃，但剪接变体表达量较低，未显著影响尾巴长度。

• TBXTinsRCS2小鼠：通过插入反向互补序列（RCS）形成稳定的二级结构，使Δexon6剪接变体表达量升高，导致 homozygous 小鼠尾巴缩短约10%。

• 复合杂合子小鼠（TBXTinsRCS2/Δexon6）：所有19只小鼠均表现为完全无尾，证实剪接变体表达量与表型严重程度相关。

4. 发育代价分析

• TBXTΔexon6/Δexon6纯合子小鼠胚胎致死，且部分个体出现神经管闭合缺陷（类似人类脊柱裂spina bifida）。
  
• 转录组分析：Δexon6剪接变体改变了TBXT靶基因的表达谱，可能影响中胚层发育调控网络。
  

主要研究结果

1. AluY插入诱导选择性剪接：AluY与AluSX1配对形成茎环结构，导致TBXT外显子6跳跃，产生功能异常的转录因子变体。
   
2. 剪接变体与尾巴表型的剂量效应：Δexon6剪接变体的相对丰度决定了尾巴缺失的严重程度（从短尾到完全无尾）。
   
3. 演化代价：尾巴消失可能伴随神经管缺陷的风险，解释了现代人类中神经管畸形的遗留健康问题（约1/1000新生儿）。
   

研究结论与意义

科学价值

1. 首次揭示了转座子（Alu元件）通过调控基因剪接驱动宏观形态演化的机制。
   
2. 提出“演化权衡”理论：类人猿尾巴消失的适应性优势（如直立行走）可能以神经管缺陷风险为代价。
   

应用价值

1. 为研究人类先天畸形（如脊柱裂）提供了新模型。
   
2. 提示转座子介导的选择性剪接可能是基因功能创新的重要途径。
   

研究亮点

1. 创新方法：

   • 结合比较基因组学、干细胞分化模型和多位点基因编辑小鼠，多维度验证假说。
     
   • 开发了基于RCS（反向互补序列）的剪接调控工具。
     

2. 重要发现：

   • 单个Alu插入足以通过RNA二级结构改变基因功能，挑战了非编码变异的传统认知。
     
   • 揭示了演化过程中“功能创新-健康代价”的平衡机制。
     

3. 特殊研究对象：聚焦人类与类人猿独有的解剖学变化，填补了演化发育学的空白。

其他有价值的内容

研究还讨论了其他灵长类（如懒猴、山魈）独立发生的尾巴消失事件，提示自然界可能存在多种遗传机制导致趋同演化。未来随着更多灵长类基因组数据的积累，可进一步探索尾巴消失的多样性遗传途径。