人类大脑语言区与猕猴对应同源脑区细胞分子图谱的解析与比较

The genetic mechanism of evolution of phenotypic and functional traits is one of the key biological questions, which serves as the basis for the synthetic theory combing genetics, development and evolution. The primate brain is a typical reflection of complex traits in animals, and language function is one of the most prominent features. The mechanism of the human language development is important for understanding the primate brain evolution and intelligence origination. The project explores the cell atlas of the adult human brain language area and humongous brain area of macaca mulatta by the single nucleus transcriptome sequencing, looking forward to identify the specific cell types of human brain language area and the genes that may work during language function development. With measuring DNA accessibility at the single-cell level for the specific cells in human brain language center, the generation of cell-type-specific regulome maps could provide additional valuable insights into the underlying mechanisms of language function. The novelty of this project is that integrative analysis of gene expression and regulation at single cell level in the same archived human tissue to investigate thoroughly the molecular mechanism of human language function evolution.

物种表型与功能进化的遗传机制是生物学的核心问题，也是建立遗传、发育和进化统一理论的基础。灵长类大脑是动物复杂形状的最典型的体现，而语言功能是其中最突出的特征之一，对其进化分子机制的阐明是了解灵长类复杂认知行为和人类智力起源的重要途径。本项目利用冰冻脑组织，通过单神经元细胞核转录组学分析技术，对成年人类大脑语言区和猕猴对应同源脑区进行细胞类型解析和比较，寻找人类大脑语言区特异的细胞类型和基因表达模式。并对人类大脑语言区特有的细胞类型进行单神经元细胞核染色质开放区域测序分析，综合转录组和染色质开放区域数据，探究参与人类语言功能进化的遗传机制。本项目的特色和创新之处在于将人类语言功能的分子机制问题放在进化的框架下进行研究。同时，利用单细胞组学这一目前的终极分辨率技术，细致地揭示人类语言功能的遗传机制。

语言功能是人类显著区别于其他物种的主要特征之一，使得人类可以通过口中传出的声响在彼此头脑间传递准确、可靠的信息。语言功能的产生得益于人类高度发达的大脑，主要表现为脑容量的迅猛扩大和脑结构的精细化。对语言相关脑区进化分子机制的研究是了解灵长类复杂认知行为和人类智力起源的重要途径。本项目利用成年人语言区和猕猴对应同源脑区冰冻组织为研究材料，通过单细胞核转录组和单细胞核开放染色质组分析技术，对人类大脑语言区和猕猴对应同源脑区进行细胞类型解析和比较，寻找人类大脑语言区特异的细胞类型和基因表达模式，探究参与人类语言功能进化的遗传机制。课题按照项目计划完成了研究内容，收集了足够数量的成年人语言区和猕猴对应同源脑区冰冻组织样本。选择人和猕猴脑区对应比较确定的布洛卡区（B44和B45脑区）为研究对象，对这两个脑区进行了单细胞核转录组和染色质可及性测序，完成了6例人和4例猕猴样本的测序分析工作，进一步质控保留2例人样本和3例猕猴样本的数据进行后续分析。获得成年人布洛卡区两个脑区和猕猴对应同源脑区的精细细胞图谱。从细胞类型、基因表达和染色质开放程度等层面对两个物种进行了全面比较，找到了物种内部B44和B45脑区的异同，及物种间这两个脑区的在细胞组成和基因表达上的异同，分析了人类语言功能产生可能遗传调控机制。同时在研究过程中还进一步探究了样本保存质量对细胞类型解析的影响，为单细胞核实验的样本选择和数据解析，提供了技术层面的基础数据和经验指导。项目研究培养青年学术骨干1名，博士研究生1名，2人次参加国际国内学术会议。