在當代神經科學的最前沿，研究者正試圖回答一個宏大問題：人類大腦何以如此獨特？我們的語言、認知和推理能力遠超其他哺乳動物，其基礎之一便是高度復雜的大腦皮層結構。在進化過程中，皮層的形成不僅依賴于神經祖細胞（ NPCs）的擴增與分化，也受制于調控序列的物種特異性表達。人類加速進化區（Human Accelerated Regions, HARs）是一類在哺乳動物中高度保守的非編碼序列，是人類與黑猩猩從進化上分開以后進化最快的區域。HARs被認為在人類大腦皮層衍進中發揮關鍵作用，但具體功能與機制尚不清楚。
2025年5月14日，杜克大學醫學院Debra Silver教授團隊在頂刊Nature發表了題為“A human-specific enhancer fine-tunes radial glia potency and corticogenesis”的研究文章，通過基因編輯小鼠和皮層類器官模型首次發現，人類加速進化區的增強子HARE5通過激活經典WNT信號通路促進神經祖細胞增殖，從而促進了人類大腦皮層發育與進化。該研究為人類大腦皮層的復雜性和獨特性提供了新的解說。
01 HARE5的生理定位及功能
研究人員首先發現，在皮層發育早期，人類特異性增強子HARE5富集于神經前體細胞（NPCs）中，作為高活性增強子顯著上調了靶基因Frizzled8（FZD8）表達。
圖：Hs-HARE5促進皮質發育過程中神經祖細胞的擴增
FZD8屬于Frizzled受體家族，是WNT信號的關鍵下游受體之一，在出生前人類新皮質中具有顯著高于恒河猴及小鼠的表達水平。為了驗證HARE5誘導的FZD8表達上調是否與皮層發育相關，研究人員在小鼠模型中敲入人源HARE5（Hs-HARE5），結果發現，小鼠皮層面積及成熟興奮性神經元數量顯著增加6.5%。功能性鈣成像技術也顯示，Hs-HARE5在小鼠皮層區域重塑了神經網絡的功能連接狀態。此外，在早期神經發育過程中，Hs-HARE5也增強了神經祖細胞的自我更新能力及神經發生潛力。
以上結果指出，在生理條件下，人類特異性突變HARE5通過上調FZD8表達促進皮層發育。
圖：Hs-HARE5促進小鼠皮層擴張和新皮層連接
02 從黑猩猩到人類：HARE5四個核苷酸突變造成的皮層發育差距
在證明了HARE5與大腦皮層發育的緊密關系后，研究人員試圖進一步探索HARE5與皮層進化的關系。人類和黑猩猩的HARE5在超保守區域中存在四個核苷酸的突變。在此，研究人員引入人類和大猩猩皮層類器官模型，對HERE5突變的影響進行了深入研究。
類器官是一種體外自組織3D結構，與來源組織具有分子水平和細胞結構上的相似性，因此已成為體外機制探索的良好平臺。本文中，研究人員首先利用基因編輯技術將人胚胎干細胞（ESC）中的Hs-HARE5序列基因替換為黑猩猩HARE5序列（Pt-HARE5），而后將ESC誘導分化以形成人皮層類器官。結果發現，FZD8表達及NPC有絲分裂顯著下降，表明皮層類器官失去了人類高度發達的皮層特性。
相對，在黑猩猩皮層類器官中敲入Hs-HARE5則完全逆轉了上述表型，說明四個位點的突變即可跨物種增強NPC的增殖能力，這與基因編輯小鼠模型中的觀察結果一致，再次論證了Hs-HARE5對于人類皮層復雜性和功能性的重要意義。
圖：人類特異性HARE5變體通過改變增強子活性直接影響人類和黑猩猩的 NPC 增殖
進一步的分子機制分析顯示，無論是在體內小鼠模型、體外NPC轉染還是類器官中，Hs-HARE5組內WNT活性均有顯著提升。此外，FZD8過表達實驗亦能部分復制Hs-HARE5的效應。激動劑CHIR99021也能以劑量依賴性方式顯著促進了人NPC的增殖，進一步驗證了其與WNT通路激活之間的聯系。
圖：Hs-HARE5通過典型的 WNT 信號傳導促進祖細胞增殖
Wnt / novoprotein
WNT信號通路是一類高度保守的細胞通訊機制，在胚胎發育、細胞命運決定與組織再生中發揮核心調控作用。此先的研究表明，大腦發育過程中，經典WNT通路通過Frizzled受體及β-catenin依賴機制調控神經前體細胞（NPC）的自我更新、增殖以及神經發生。
在腦類器官構建中，WNT信號是皮層祖細胞發育及神經譜系建立所不可或缺。在其他類型的類器官（如腸道、心臟、胃、肺、視網膜、乳腺和前列腺類器官）中，WNT3a 也是最常使用的細胞因子之一。
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03 總結
本文利用類器官模型和基因編輯技術，清晰地描繪出HARE5通過WNT通路調控神經祖細胞增殖、進而塑造人類大腦皮層演化路徑的分子機制。發現人HARE5中四個核苷酸的突變決定了人類大腦皮層區別于黑猩猩的復雜特性，為人類大腦的發育進化及相關腦部疾病的病理研究提供了重要啟示。
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