图片来源于诺贝尔奖官网
2022年10月3日下午,诺贝尔生理学或医学奖揭晓，瑞典科学家斯万特·帕博(Svante Pääbo)被授予这一奖项，以表彰他在已灭绝的古人类基因组和人类进化方面的发现。
摘要
理论基础
可变剪切对于大脑来说异常重要。神经组织分泌的一些脑特异性剪切因子对于正确的皮层发育来说是必需的。在神经系统发育过程中，NOVA1基因以主调控因子的身份，通过影响突触形成相关剪切基因，发挥着调控可变剪切的功能。而异常的NOVA1剪切活动也与神经疾病相关。这些发现都突显出这种基因在神经功能中的地位。相比现代人而言，古类人的NOVA1基因在第200位存在单核苷酸替换，从而导致相应蛋白结构产生异亮氨酸-缬氨酸更换。使用CRISPR-Cas9基因组编辑技术，我们将现代人类iPSCs中NOVA1的等位基因替换成为古类人的。随后通过跟踪这种iPSCs衍生的功能性皮层类脑器官的神经发育，来评估这个氨基酸的人为替换在功能方面的重要性。
我们发现这种遗传操作，会在改变神经发育、增殖及突触连接相关基因的可变剪切的同时，导致类脑器官在形态和神经网络功能上发生变化。这些现象说明之前完成的NOVA1等位基因替换可能有着功能性作用。另外，那些有着远古NOVA1基因的的皮层类脑器官表现出独特的兴奋性突触变化，并可能进而导致了上面提到的神经网络发育方面的改变。概括起来讲，实验数据表明远古NOVA1基因的表达会引起突触蛋白互作变化、影响谷氨酸能信号通路、导致神经连接异常并且增加神经元在电生理特性上的异质性。
结论
现代人类和远古亲缘在表型特性上的差异，可能是一群基因的变化造成的。我们开发了一种平台，通过在人类脑器官中导入古类人基因并检测它在神经发育中的作用，就能测试人特异基因变种带来的影响。NOVA1中现代人特异的等位基因替换，是自人类从尼安德特人分支进化后就固定下来的了。上述平台的相关研究结果告诉我们，它对于我们物种的演变可能有着功能性影响。
相关研究重点
由于在含远古NOVA1等位基因类脑器官样本中，很多基因的表达或者剪切发生了变化，而它们都参与了突触形成以及神经元的连接。为了验证在突触水平上是否的确发生了相应变化，作者开展了如下的研究。
1. 突触显微观察
使用显微电镜，能够在皮层神经类脑器官中观察到突触超结构组织。我们发现含尼安德特人基因的样本中前/后突触蛋白表达量相较对照组而言更低，进而造成共定位的突触突点的减少。
2. 突触蛋白网络定量
通过多重定量免疫共沉淀实验，我们研究了上述两组样本中一组20个突触蛋白的共相关丰度。结果揭示了NOVA1基因突变造成的下游突触蛋白网络广泛的改变。
3. 电生理实验
我们使用了多孔微电极阵列技术，来试图评估突触分子水平的变化对于神经网络活动的影响。Axion公司提供的Maestro MEA技术，使动态多位点胞外电生理记录成为可能。那我们就可以在宏观视角上了解到类脑器官样本间在神经网络功能上的差别。如图7B所示，我们观察到含尼安德特人基因的成熟类脑器官，在簇放电和CV值这两个参数的检测结果上，相比正常人类样本而言来的更高，但它们的网络同步性却更低。而从图7C-F呈现的结果中，通过比较发放频率和CV值，我们还能发现前者的神经元电活动变化更大。
综合起来看，上述三个实验的结果表明：引入远古NOVA1基因会改变现代人类样本的突触蛋白互作、神经元的连接并导致神经元电生理特性的高异质性。
图7
(A) 皮层类脑器官放置于微电极阵列上的图示及对应的明场照片。
(B) 突变组和对照组相比，在总发放数量、平均发放率等参数上没有差别，但是同步性指数偏低。
在完成sorting后，从FR和CV这两个维度看，我们发现突变组样本中神经元的差异性更高。(C)图和(D)图分别是发放频率及CV值的概率密度统计结果。(E)图用2D形式展现了两个参数的分布情况。其中用颜色标记的三块代表性区域（黄色：CV和FR都低；绿色：低CV，高FR；洋红：高CV，低FR），其对应原始数据以实时光栅图的形式展示在F图中。可以看到，洋红色区域的数据（神经元高异质性）全部来自于含尼安德特人基因的类脑器官，而对照组中的神经元则极少有高异质性（即高CV值）情况发生。
MEA实验方法
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