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中科院与北京大学最新揭示:人类大脑皮层沟回折叠的新机制

  2017年10月12日,中国科学院生物物理研究所王晓群课题组与北京大学汤富酬课题组、首都医科大学安贞医院张军课题组合作在Cell Stem Cell杂在线发表题为“The primate-specific gene TMEM14B marks outer radial glia cells and promotes cortical expansion and folding”的研究论文。该文阐述了课题组前期研究发现的脑皮层形成过程中独特的神经干细胞亚型oRG 细胞参与人类大脑皮层沟回形成的细胞与分子新机制。

  哺乳动物的大脑皮层是复杂认知行为的控制中心,人类大脑皮层上复杂的沟回折叠以及巨大的神经元数量赋予了我们高级的逻辑思维能力和语言能力。大脑新皮层的进化和物种间智力的差异有着至关重要的联系,不同物种的大脑皮层在表面积的大小和沟回的复杂度上差异显著。人类的基因组虽然和黑猩猩有98.5%的相似度,然而人类的脑容量却是黑猩猩的三倍。大脑皮层神经元数量的增加依赖于神经干细胞亚型的多少以及生成神经元的效率。非人灵长类动物和人的大脑皮层相比于较低等的动物(如啮齿类)的区别在于出现了非常大的脑室下区Subventricular Zone (SVZ),包含内侧的、靠近脑室的ISVZ和外侧的、靠近软脑膜的OSVZ。OSVZ区域中大量存在一类特殊的神经干细胞亚型——外侧辐射状胶质细胞(oRG细胞)。该类神经干细胞亚型的出现也有进化的基础, 2011年,王晓群研究员在Nature Neuroscience上以封面文章的形式报道了该类神经干细胞亚型少量存在于啮齿类动物脑中。

  王晓群课题组在此工作基础上,通过与汤富酬课题组和张军课题组的合作,利用单细胞深度测序技术筛选出了人脑oRG细胞特异表达的基因TMEM14B。条件性过表达TMEM14B在小鼠的神经系统中促进小鼠大脑皮层多种神干细胞亚型数量的增多。小鼠出生后表现出大脑皮层表面积变大、皮层增厚的现象,并伴有有沟回的形成。研究发现TMEM14B作为一个膜蛋白,通过调节结合蛋白IQGAP1的磷酸化水平来促使IQGAP1蛋白入核,从而加速了神经干细胞的分裂周期。我们的研究不仅揭示了神经干细胞oRG的特征分子,也阐明了大脑皮层增大增厚以及折叠的细胞和分子机制。

  该研究工作由中国科学院生物物理研究所、北京大学和首都医科大学安贞医院合作完成。中国科学院生物物理研究所王晓群研究员、北京大学汤富酬研究员以及安贞医院张军研究员为共同通讯作者。中国科学院生物物理研究所博士研究生刘静、刘文粟、吴倩副研究员和北京大学博士研究生杨璐为并列第一作者。该工作受到科技部、自然基金委、中科院、上海脑智工程和英国皇家学会等项目的资助,相关技术已申请发明专利。

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  图示:小鼠神经系统中表达TMEM14B诱导大脑皮层增厚和沟回产生的机制

  

  供稿:王晓群课题组