一種順式作用元件結(jié)構(gòu)性變化ZNF558基因控制人類大腦發(fā)育的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

盡管蛋白質(zhì)編碼基因的變化有限，但與黑猩猩相比，人類前腦的大小和復(fù)雜性都有所擴(kuò)大，這表明基因表達(dá)調(diào)節(jié)是大腦進(jìn)化的一個重要驅(qū)動力。在這里，我們確定了一個KRAB-ZFP轉(zhuǎn)錄因子ZNF558，它在人類而不是黑猩猩的前腦神經(jīng)祖細(xì)胞中表達(dá)。ZNF558是作為LINE-1轉(zhuǎn)座子的抑制者而進(jìn)化的，但已被用來調(diào)節(jié)一個單一的目標(biāo)，即有絲分裂基因SPATA18。ZNF558在線粒體穩(wěn)態(tài)中起作用，在大腦器官中的功能缺失實(shí)驗(yàn)表明，ZNF558在人類早期大腦發(fā)育中影響發(fā)育時間。ZNF558的表達(dá)受一個變數(shù)串聯(lián)重復(fù)的大小控制，與人類相比，黑猩猩的變數(shù)串聯(lián)重復(fù)更長，在人類群體中也是可變的。因此，這項(xiàng)工作提供了關(guān)于順式結(jié)構(gòu)變異如何建立一個影響人類大腦進(jìn)化的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制性見解。

在這項(xiàng)研究中，我們展示了基因組非編碼區(qū)的遺傳變異如何控制保守的蛋白質(zhì)編碼基因的活性，從而建立起特定物種的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)。迄今為止，只有有限的證據(jù)表明順式調(diào)控元件的變化對人腦進(jìn)化很重要。經(jīng)典的做法是，非編碼基因的變化被認(rèn)為會導(dǎo)致基因表達(dá)沿梯度的差異，導(dǎo)致附近基因的mRNA產(chǎn)物略多或略少。這種mRNA水平的差異是否對應(yīng)于蛋白質(zhì)水平的變化仍有爭議，因?yàn)橛凶C據(jù)表明在翻譯水平上存在補(bǔ)償性緩沖。也仍然不清楚一種蛋白質(zhì)水平的差異如何影響物種健身。相反，我們的研究結(jié)果表明，非編碼區(qū)有能力介導(dǎo)一個保守的蛋白質(zhì)編碼基因的開關(guān)。

KZFPs是哺乳動物轉(zhuǎn)錄因子中至大的家族，并在靈長類動物中迅速擴(kuò)展和進(jìn)化。有人提出，KZFPs與TEs進(jìn)行 "軍備競賽"，其中KZFPs進(jìn)化到與特定的TEs結(jié)合并抑制其活性。在這個模型中，TEs會突變它們的ZFP靶向位點(diǎn)，從而擺脫沉默并重新獲得活性。然后，KZFP將進(jìn)一步進(jìn)化，再次沉默TE，導(dǎo)致KZFP和TE之間的動態(tài)競爭，推動其進(jìn)化。這種進(jìn)化機(jī)制已被提出來，被宿主基因組用來驅(qū)動進(jìn)化機(jī)制。在這項(xiàng)研究中，我們提供了幾個KZFPs在大腦發(fā)育中的人類特異性表達(dá)的證據(jù)。其中一個例子，ZNF558，出現(xiàn)在100多年前，用于抑制當(dāng)時活躍的LINE-1轉(zhuǎn)座子。盡管它的TE目標(biāo)已經(jīng)退化，但ZNF558在哺乳動物中是高度保守的，這與獨(dú)立于TE抑制的功能性生物作用相一致。ZNF558現(xiàn)在與古老的L1（可能代表基因組化石）和人類細(xì)胞中的幾個基因目標(biāo)結(jié)合。在人類大腦發(fā)育過程中，我們發(fā)現(xiàn)ZNF558調(diào)控一個單一的蛋白質(zhì)編碼基因，SPATA18。

人類和黑猩猩fbNPCs之間ZNF558表達(dá)的異常開關(guān)的遺傳基礎(chǔ)在于下游的VNTR。VNTR的長度與ZNF558的抑制有關(guān)；在人類中，重復(fù)長度為30-40個單位，該位點(diǎn)與活躍的轉(zhuǎn)錄有關(guān)，而在NHPs中，VNTR要大得多，這與轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)。我們并不完全了解VNTR單位拷貝數(shù)的差異如何影響ZNF558的表達(dá)的分子機(jī)制。在人類和黑猩猩的fbNPCs中，VNTR都被抑制性組蛋白標(biāo)記H3K9me3所裝飾。由于黑猩猩的VNTR較長，所以基于VNTR的異染色質(zhì)區(qū)域要大得多。我們還發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明，短的人類VNTR單元被轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生了一個lncRNA，它可能在順式影響附近基因的表達(dá)，如ZNF558。對觀察到的現(xiàn)象可能的解釋是，延長的VNTR是一個異染色體區(qū)域，它的縮短顯示了重復(fù)中的大腦特異性增強(qiáng)子和/或lncRNA。這種基于拷貝數(shù)的VNTR對附近蛋白編碼基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制讓人想起以前在FSHD基因座上觀察到的情況。

我們的觀察結(jié)果與一個模型相一致，即人類和NHPs的共同祖先在ZNF558的下游攜帶了一個長的VNTR。這個VNTR在人類/黑猩猩進(jìn)化分裂后收縮，導(dǎo)致了SPATA18水平的差異和人類大腦發(fā)育過程中線粒體平衡的改變。然而，這只是一個簡化的模型，ZNF558的功能作用可能是多方面的。我們注意到，猩猩和獼猴在大腦發(fā)育過程中都表達(dá)了ZNF558，并且在SPATA18中有一個保守的ZNF588結(jié)合點(diǎn)。因此，ZNF558在大腦發(fā)育過程中介導(dǎo)的對SPATA18的壓制不僅是人類特有的機(jī)制，而且也存在于其他靈長類物種。此外，ZNF558在人類的大多數(shù)成人組織中都有表達(dá)，而且我們沒有發(fā)現(xiàn)人類和黑猩猩在這些組織中的大多數(shù)表達(dá)有分歧的證據(jù)。因此，ZNF558可能在成人組織中發(fā)揮額外的作用。雖然ZNF558是一個高度保守的基因，但SPATA18中的ZNF558結(jié)合位點(diǎn)只在靈長類動物中保守，這表明ZNF558在其他物種中發(fā)揮著不同的作用，以調(diào)節(jié)其他共同選擇的目標(biāo)。繪制ZNF558在其他關(guān)系較遠(yuǎn)的哺乳動物（如小鼠）中的功能作用將是有趣的，在這些動物中，目標(biāo)序列的創(chuàng)新可能導(dǎo)致這種轉(zhuǎn)錄因子被共同用于其他功能作用。

在人類大腦發(fā)育過程中，縮短的VNTR和激活的ZNF558表達(dá)的下游后果是SPATA18的轉(zhuǎn)錄抑制。SPATA18的產(chǎn)物是MIEAP，它通過有絲分裂清除線粒體。新出現(xiàn)的文獻(xiàn)表明，線粒體在神經(jīng)干細(xì)胞命運(yùn)決定和神經(jīng)發(fā)生過程中處于核心地位，部分是通過控制NPCs分化為神經(jīng)元時發(fā)生的從糖酵解到OXPHOS的代謝轉(zhuǎn)換。ARHGAP11B是一個人類特異性基因，定位于線粒體，在那里誘導(dǎo)類似癌癥的代謝以促進(jìn)基底神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖。這一的觀察直接將線粒體功能與人類大腦皮層的標(biāo)本化和擴(kuò)張聯(lián)系起來。在人類中由ZNF558獨(dú)特調(diào)控的SPATA18究竟是如何進(jìn)入這一代謝途徑的，還有待確定，但我們使用大腦器官的結(jié)果表明，ZNF558在大腦發(fā)育過程中起著發(fā)育時機(jī)的作用。ZNF558表達(dá)被沉默的器官在分化的早期階段體積較小，在后期生長階段顯示出具有更成熟轉(zhuǎn)錄組的神經(jīng)元。這些發(fā)現(xiàn)讓人想起以前在比較人類大腦器官和來自非人類類人猿的器官時觀察到的差異。

我們的數(shù)據(jù)還表明，ZNF558基因座的VNTR的長度在人類群體中是可變的，有一些個體的重復(fù)長度與黑猩猩的相似。我們發(fā)現(xiàn)VNTR的長度與ZNF558在一組人類淋巴細(xì)胞系中的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。不幸的是，我們不可能從這個數(shù)據(jù)集中解決每個個體的VNTR等位基因的實(shí)際組成。然而，對攜帶雙等位長VNTRs的人類個體進(jìn)行分子和表型分析將是有趣的，并可能發(fā)現(xiàn)VNTRs在人類表型變化中的作用。我們還注意到，SPATA18基因座的DNA復(fù)制可導(dǎo)致智力障礙和語言及語言發(fā)育延遲，這表明SPATA18及其伙伴轉(zhuǎn)錄因子ZNF558可能與神經(jīng)發(fā)育障礙有關(guān)。