大脑是如何产生这么多不同类型的神经元的

Sad1基因存在于秀丽隐杆线虫所有的300个神经元中，在不同的神经元中剪接成不同的版本。包含一个版本的神经元发出红色荧光（上），包含另一个版本的神经元发出绿色荧光（中），显示黄色的神经元则包含两个基因版本（下）。

近日，美国南方卫理公会大学的一项新研究发现了基因表达的另一层调控机制，这可能有助于解释为什么我们的大脑中有如此多的神经元。相关论文发表在eLife杂志上。

神经元是大脑和神经系统内的细胞，负责我们做的、想的和感觉的一切。它们利用电脉冲和化学信号在大脑的不同区域之间、大脑和其他神经系统之间传递信息，告诉我们的身体该做什么。

然而，负责制造这些神经元的基因只有几千个。人类神经系统中的所有细胞都有相同的遗传信息，不过基因最终会像电灯开关一样被“打开”或“关闭”，从而赋予神经元特定的特征和角色。了解基因开启或关闭的机制（这个过程被称为基因表达），可以帮助解释人类和其他哺乳动物是如何发育出如此多的神经元的。

“通过特定基因的独特组合，可以制造出不同的特定神经元。”新研究的合著者、南方卫理公会大学生物科学系的助理教授Adam D. Norris说。“所以接下来，这可以帮助我们解释：第一，我们的大脑是如何变得如此复杂的？第二，我们如何遵循这些规则，模仿自然并制造出我们感兴趣的任意类型的神经元？”

众所周知，由RNA结合蛋白控制的RNA剪接过程可以给神经元增加额外的调控层面。一旦一个基因被激活，通过RNA剪接就可以产生不同版本的RNA分子。但在这项新的研究完成之前，人们并不清楚产生这种多样性的机制是什么。在此之前，科学家们主要关注基因表达的第一层——转录因子，这一层通常被用来生成特定的神经元类型。“我们正在添加第二层，这表明转录因子和RNA结合蛋白必须得到适当的协调。”Norris指出，“这是第一次在单个神经元中发现基因表达的协调性。”

研究人员结合传统的研究方法和前沿的遗传学技术，研究了Sad1基因的RNA在秀丽隐杆线虫的单个神经元中是如何剪接的。结果发现，所有神经元都激活了Sad1，但不同类型神经元的Sad1剪接方式不同，控制RNA剪接的RNA结合蛋白也不一样。虽然转录因子并没有直接参与Sad1基因的RNA剪接，但它们激活了编码RNA结合蛋白的基因。“一旦这个基因被激活，这些因素就会参与进来，微妙地改变Sad1基因的剪接。” Norris说。因此，Sad1是根据神经元特异性模式剪接的。

研究人员还发现，在不同的神经元中，基因的协调调节有不同的细节。两个不同的神经元想要达到相同的目标，要么经过完全相同的路径，要么走不同的路径。这项研究给出的答案是不同的路径。即使在一个神经元中，也有多个不同层次的基因表达，共同使这个神经元成为独一无二的神经元。

Norris之所以使用线虫神经元，是因为“与人类不同，我们知道每一个线虫神经元在哪里，以及它们应该做什么。因此，我们可以非常自信地知道哪些基因负责哪些神经过程。”

“这项研究中非常具体的细节并不适用于人类。但我们希望这其中涉及的原则将会适用于人类。” Norris解释道。“从过去几十年对线虫神经系统的研究来看，对线虫行为有特定影响的特定基因，后来也被证明在人类神经系统同样类型的事件中发挥作用。”

原创编译：花花 审稿：alone 责编：张梦

期刊来源：eLife

期刊编号：2050-084X

原文链接：
https://blog.smu.edu/research/2019/09/05/how-do-we-get-so-many-different-types-of-neurons-in-our-brain/

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