人类特异融合转录本Ctnnbip1-Clstn1对大脑皮层发育的影响及机理研究

Human-specific genes regulate the expansion and folding formation of brain cortex，which is the basis of human cognitive evolution. Besides positive selection of specific sequences in human genome, more than 98% of fusion transcripts are expressed in species-specific tissues and cells, so, studies in physiological functions of human-specific fusion transcripts in the developing cerebral cortex would provide new ways to expose the mechanism of cortical evolution and cognitive ability formation of human brain. By using high-throughput RNA sequencing (RNA-seq), we have identified many fusion transcripts expressed in the developing human brain cortex. Furthermore, we sorted different neural cell populations in the developing human brain cortex, extracted the RNA and performed RNA-seq. We found that more fusion transcripts were expressed in the neural progenitors of subventricular zone or basal progenitors, including outer radial glial cells (oRGCs) and intermediate progenitors (IPs). Fusion transcript Ctnnbip1-Clstn1 (CtCl) was identified and further verified highly expressed in oRGCs in the outer subventricular zone and producing novel protein product. oRGCs have been considered contributing to the evolutionary expansion and folding formation of brain cortex, thus, this project mainly aims at dissecting the function and molecular mechanism of CtCl on human brain neurogenesis through in vivo and in vitro experiments in human brain organoids, mouse in utero electroporation etc. This work will provide a new angle for studying human brain diseases and recognizing its evolution.

人类特异基因调控大脑皮层沟回形成及表面积增加对于人脑智力进化有重要的意义。进化中除基因的定向选择外，研究发现超过98%的融合转录本只在特定的物种组织中表达，因此研究人特异融合转本对皮层发育的影响为揭示人脑皮层进化和智力形成提供了新的思路。我们前期利用高通量RNA测序对发育期人脑皮层的转录本进行分析鉴定发现大量融合转录本存在，进一步利用流式分选不同的神经细胞类型并抽提RNA进行高通量测序分析，发现更多的融合转录本表达于人脑皮层室下区的神经祖细胞中。研究发现融合转录本Ctnnbip1-Clstn1(CtCl)高表达于皮层外侧室下区神经祖细胞(oRGCs)中并产生新型融合蛋白。oRGCs与大脑皮层的增厚及沟回的形成密切相关，因此本课题将利用体外人脑类器官模型，结合小鼠胚胎电转等体内外实验，详细研究CtCl对大脑皮层发育过程中神经发生的影响，解析其分子调节机制，为研究人脑疾病和进化提供新的视角。

人类大脑皮层具有比其他哺乳动物更独特的结构，比如丰富的皮层褶皱和更大的皮层表面积，使其可以容纳更多的神经元并且形成更为复杂和高效的神经网络，是人类高级认知功能的重要基础。研究已经表明发育期人类大脑皮层相较于非人灵长类存在更丰富的神经祖细胞并且其与皮层的增厚和褶皱形成密切相关，但是人类大脑皮层更丰富的神经祖细胞的产生和增殖的分子和细胞机制仍然知之甚少。人类特异基因是在人类祖先与黑猩猩分离后基因组序列变异的定向选择而产生的。我们及其他研究人员的研究表明人类特异基因可以引起包括鼬科，啮齿类及新世界猴等不同物种大脑皮层的增厚和褶皱形成。利用基因沉默技术在离体培养的人脑皮层中下调人类特异基因的表达可以引物神经祖细胞的减少。因此，从人类基因组特异变异（序列）角度解析人类大脑皮层神经祖细胞产生和增殖的分子细胞机制，对于理解人类大脑皮层增厚、褶皱形成以及认知基础具有重要的作用。. 不同RNA前体分子之间剪接形成新的融合转录本已经被发现大量存在于正常的成体组织与细胞中。本课题首次通过高通量RNA测序，单分子测序和单细胞测序方法分析比较并分类了发育期人类大脑皮层中存在的融合转录本，并且进一步通过单细胞分选和RNA测序确定了人类大脑皮层中不同细胞类型中的融合转录本并且其表达独立于亲本基因，提示融合转录本的转录表达受细胞独立的调控。同时发现大部分的融合转录本在小鼠中并不存在。我们又进一步地在人脑皮层类器官中研究了神经组细胞中特异高表达的融合录本Ctnnbip1-Clstn1 (简称CTCL)的生物学功能，发现了CTCL的缺少会引起神经干细胞异常地减少并且不能维持其增殖状态而提前进入分化阶段，进而导致类器官体积的变小。同时利用RNA测序和生物信息学分析发现经典Wnt信号通路也受到了CTCL调控并且对人类皮层神经祖细胞的正常发育起重要作用。本课题分起始筛选鉴定，实验验证和功能研究三个阶段让人们重新认识了融合转录本在人类大脑皮层正常发育过程中的存在并具有重要生物学功能，不但为研究人类大脑皮层独特的发育过程提供了新的方向，同时也为认识人脑进化和疾病发生提供新的思路。