撰文｜令頁
人類和黑猩猩的蛋白質編碼基因組非常相似，只有1％的差異。人類之所以是人類，必然有其區別於猩猩的獨特之處。長期以來，研究人員一直假設讓人類與猩猩區別開來的不是DNA序列，而是基因調控（基因表達的時間、位置、強度）發揮更關鍵的作用。探索使我們之所以成為人類的生物學特徵，是一個迷人而又充滿挑戰的的研究領域。
近日，瑞士洛桑大學的研究人員在 Science 子刊 Science Advances 雜誌上發表了題為：Robust inference of positive selection on regulatory sequences in the human brain 的研究論文。
研究團隊開發了一種新方法，使他們能夠識別大腦中大量的基因調控區域，這些區域在人類進化過程中被選擇。該方法將機器學習模型與實驗資料相結合，實驗資料涉及基因調控中的蛋白質與不同組織中調控序列的結合強度。該研究首次查明人類大腦中基因調控方式的特有適應性變化，得以區分人類和黑猩猩的區別。
長期以來，人們都認為自己和黑猩猩之間的差異可能更多地是由調控水平的適應而不是蛋白質序列的適應所驅動的。在人類大腦的進化過程中，這一點尤其被認為是調控適應性的結果。基於此，研究人員開發了一種基於預測結合親和力變化的檢測轉錄因子結合位點（TFBSs）自適應進化的新方法。
該項研究建立的方法中，TFBSs的陽性選擇檢測方法可簡單總結為，在ChIP-seq峰（此處為TFBSs）上訓練空位k-mer支援向量機（gkm-SVM）分類器。允許計算所有可能的10-mers的SVM權重，預測它們對轉錄因子結合親和力的貢獻。然後，透過計算deltaSVM，即兩個同源序列的和權重之差來預測取代基對結合親和力的影響。最後將每個經驗TFBS與一個祖先序列（從同一個姐妹種和一個外群的比對中推斷出的序列）進行比較。
圖1. 推斷陽性選擇的程式
研究人員首先分別在小鼠、果蠅和人類三個物種中，利用新開發方法，在眾所周知的轉錄因子（如CEBPA和CTCF）中進行應用。研究結果證實：陽性選擇的證據與較高的經驗結合親和力、較高的序列取代-多型性比率和較低的鄰近基因表達差異相關。
1、在小鼠組中，研究人員透過ChIP-seq檢測三種肝臟特異性轉錄因子CEBPA、FOXA1和HNF4A。基於三個小鼠物種的實驗晶片seq峰，以SPRET/EiJ為外群，研究人員確定了三類CEBPA結合位點：在所有三個物種中均保守（24280個位點），C57BL/6J的譜系特異性增益（6304個位點），以及C57BL/6J中的譜系特異性丟失（6692個位點）。保留了至少兩個取代基的結合位點，分別得到了保守類、增益類和丟失類的5114、1445和1497個TFBSs。對於其他兩個轉錄因子（FOXA1和HNF4A），研究人員發現了非常一致的模式。該研究發現的廣泛的陽性選擇推動了CEBPA結合位點的獲得。研究人員還發現了一些證據表明陽性選擇會導致某些保守位點丟失或結合親和力增加。
2、在人類組中，研究人員利用人類豐富的群體基因組轉錄組學資料，進一步驗證了建立的方法。根據P值的分佈，預測有7.5%的CEBPA結合位點在人類譜系中發生了適應性進化。使用MK框架，研究預測PBSs應該比非PBSs有更高的取代-多型性比率。研究人員發現，在人類和黑猩猩之間的多型性位點中，對比非PBSs，PBSs（陽性結合位點）有明顯更高的固定核苷酸變化的比率。發現PBS靶基因在整個人群中的表達差異要比非PBS靶基因低得多。
3、研究人員發現在黑腹果蠅譜系中存在陽性選擇。觀察到保守和增益都存在廣泛的正向選擇。此外，增益具有比保守更高的陽性選擇比例。
圖2. 小鼠CEBPA結合位點研究
圖3. 人類CEBPA結合位點研究
隨後，研究人員用這種方法檢測29種人體組織或細胞型別中CTCF結合位點的陽性選擇。發現大腦樣本的陽性選擇最高，這一結果與基因調控的適應性進化在人腦進化中起著重要作用的觀點是一致的。其次是男性生殖系統。在老鼠身上進行的同樣分析發現，肺的陽性選擇最高，而大腦中沒有特殊的訊號。因此，該項研究為人類大腦中基因調控的適應性進化提供了證據。
圖4. 不同組織或細胞型別中CTCF結合位點陽性的比例
該研究結果支援長期以來提出的人類大腦進化中適應性調控變化的重要性。檢測到陽性選擇比例很高的大腦相關細胞型別在功能上與認知能力相關。如星形膠質細胞，其訊號異常可引起突觸和網路失衡，導致認知障礙。此外，對於脈絡膜叢上皮細胞，其萎縮已被報道與阿爾茨海默病有關。
在腦細胞型別之外，發現男性生殖系統（前列腺和包皮）比女性生殖系統（卵巢、子宮和陰道）具有更高的適應性調控進化。
這些結果為人類進化、發育生物學和神經科學的研究開闢了新的前景。
論文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/6/48/eabc9863