人腦是一個(gè)極其復(fù)雜的器官，大腦在達(dá)到成熟之前必須經(jīng)歷一段漫長的發(fā)育時(shí)期。由于人類大腦及其發(fā)育的獨(dú)特性，越來越多的研究者們聚焦于揭示其細(xì)胞和分子進(jìn)化的過程。目前關(guān)于人腦特征的大部分知識(shí)來源于比較“組學(xué)”研究，涉及人類和靈長類動(dòng)物的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組水平。然而，在靈長類動(dòng)物腦進(jìn)化的背景下，翻譯后糖修飾的作用尚未得到探討。

2023年12月8日，美國耶魯大學(xué)的Nenad Sestan研究團(tuán)隊(duì)和克羅地亞薩格勒布大學(xué)的Gordan Lauc研究團(tuán)隊(duì)共同在Science Advance上發(fā)表了題為“Human-specific features and developmental dynamics of the brain N-glycome”的研究論文，該研究通過N-糖組學(xué)技術(shù)對大鼠、獼猴、黑猩猩和人類大腦的多區(qū)域進(jìn)行了表征，并將數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)相結(jié)合，探究糖基化相關(guān)基因的表達(dá)與靈長類腦進(jìn)化背景下N-糖基化之間的關(guān)系。最后，通過比較出生前和成年人腦的N-糖組學(xué)揭示了成熟腦神經(jīng)發(fā)育途徑，為理解腦發(fā)育及功能做出了重大貢獻(xiàn)。

英文標(biāo)題：Human-specific features and developmental dynamics of the brain N-glycome

中文標(biāo)題：腦N-糖組揭示人類特異性特征和發(fā)育動(dòng)力學(xué)

期刊：Science Advance

年份：2023年12月8日

影響因子：13.6

組學(xué)技術(shù)：N-糖組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組

樣本類型：腦組織

一、研究思路

圖1研究思路（圖源：Klari? TS et al., Science Advance, 2023 ）

二、研究結(jié)果

1.小腦N-糖組的獨(dú)特性

為了在整體水平上探索各種腦組織N-糖組之間的關(guān)系，本研究使用分層聚類和t-隨機(jī)鄰居嵌入（t-SNE）分析N-聚糖峰豐度的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明小腦皮層（CBC）表現(xiàn)出最獨(dú)特的N-糖組，甚至超過了大的系統(tǒng)發(fā)育樹距離。盡管如此，CBC集群內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)育差異也很明顯，可以歸因于各種n-聚糖特征的譜系特異性改變，包括人類特異性的半乳糖基化密度增加（圖2）。

圖2大腦N-糖組的解剖學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育變化的特征（圖源：Klari? TS et al., Science Advance,

2.腦N-糖組分析系統(tǒng)發(fā)育趨勢和人類特異性特征

本研究通過比較不同物種的等效同源區(qū)域N-糖基化圖譜來深入了解神經(jīng)糖組在靈長類進(jìn)化過程中的變化。從圖3可以看出，復(fù)雜N-聚糖的相對豐度呈明顯的線性趨勢，其中大鼠的相對豐度最低，人類的相對豐度最高。綜合復(fù)雜N-聚糖豐度的空間和系統(tǒng)發(fā)育變化的信息發(fā)現(xiàn)N-糖組復(fù)雜性的峰值出現(xiàn)在人類的皮層區(qū)域。另外，研究人員還觀察到一個(gè)顯著的系統(tǒng)發(fā)育趨勢，即從大鼠到獼猴再到人類中α(2-6)連接的Neu5Ac消耗的增加。總之，研究數(shù)據(jù)表明人腦N-糖組的進(jìn)化表現(xiàn)為全腦范圍內(nèi)N-糖組復(fù)雜性的增加，同時(shí)α(2-6)-連接Neu5Ac的消耗增加。

圖3真核生物腦N-糖基化的系統(tǒng)發(fā)育趨勢（圖源：Klari? TS et al., Science Advance, 20

除了廣泛的進(jìn)化趨勢之外，本研究還揭示了腦N-糖基化的明顯分類群的特異性差異，包括腦N-糖組的幾個(gè)人類特異性差異，主要與Neu5Ac連接的差異相關(guān)（圖4）。

圖4各腦區(qū)N-糖基化的顯著分類群特異性差異（圖源：Klari? TS et al., Science Advance,

3.靈長類動(dòng)物大腦中糖基因表達(dá)的區(qū)域和細(xì)胞類型分析

本研究比較了糖基因在人類大腦區(qū)域的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)糖基因（47個(gè)中的29個(gè)）可以歸類為具有明顯區(qū)域特異性的少數(shù)重復(fù)表達(dá)譜之一。利用靈長類DFC單核RNA-seq （snRNA-seq）表達(dá)數(shù)據(jù)來表征神經(jīng)細(xì)胞類型中糖基因的表達(dá)，根據(jù)它們的表達(dá)譜對糖基因進(jìn)行聚類分析，揭示了它們的細(xì)胞類型分布的明顯異質(zhì)性。雖然總體聚類模型在靈長類動(dòng)物中很大程度上是保守的，但一些進(jìn)化差異是明顯的（圖5）。

圖5 特定糖基因的人類特異性和細(xì)胞類型特異性表達(dá)模式（圖源：Klari? TS et al., Science Adva

4.神經(jīng)發(fā)育過程中人腦N-糖組的空間變化

通過分析產(chǎn)前人腦中相應(yīng)的大腦區(qū)域，本研究探索了形成成人大腦N-糖的發(fā)育途徑。全局N-糖組的層次聚類和主成分分析顯示，胎兒中期大腦的N-糖基化在區(qū)域上比成人大腦更均勻，而且CBC的N-糖組尚未分化。腦N-糖組的整體發(fā)育完全的過程在所有區(qū)域都是類似的，其特點(diǎn)是雜合和截?cái)郚-聚糖的比例增加，而復(fù)雜類型主要是唾液酸化類型的減少，N-糖組的CBC特異性成熟的特征在于M6結(jié)構(gòu)豐度的增加以及半乳糖化和唾液酸化密度的增加。因此，本研究的數(shù)據(jù)表明人腦N-糖組在N-聚糖唾液酸化的調(diào)節(jié)方面經(jīng)歷了廣泛的變化（圖6）。

圖6大腦中不同空間的N-糖基化譜（圖源：Klari? TS et al., Science Advance, 2023

三、小結(jié)

綜上所述，研究表明在靈長類動(dòng)物中，大腦N-糖組的分化速度比潛在的轉(zhuǎn)錄組框架更快，并且人類大腦N-糖組進(jìn)化的特征是復(fù)雜性聚糖的總體增加以及α（2-6）連接的N-乙酰神經(jīng)氨酸的消耗增加。此外，研究鑒定了關(guān)鍵糖原的細(xì)胞類型表達(dá)模式的種間差異，揭示了成熟腦中不同空間N-糖基化譜的區(qū)域特異性神經(jīng)發(fā)育途徑。

四、 拜譜小結(jié)

本研究進(jìn)行了一項(xiàng)多區(qū)域N-糖組學(xué)比較研究，確定了靈長類動(dòng)物特有的進(jìn)化特征，并在解破學(xué)上進(jìn)行精確定位，發(fā)現(xiàn)了人類大腦N-糖基化的特異性特征。拜譜生物全新推出完整糖肽的蛋白質(zhì)組學(xué)服務(wù)，通過高效的富集手段、權(quán)威的分析軟件能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)N-糖和O-糖的糖基化位點(diǎn)、糖型、糖肽和糖蛋白的完整解析。由此拜譜生物建立了N-糖基化修飾組、O-糖基化修飾組、完整糖肽蛋白質(zhì)組的糖蛋白組學(xué)服務(wù)。歡迎大家咨詢!

參考文獻(xiàn)：Klari? TS, Gudelj I, Santpere G, et al. Human-specific features and developmental dynamics of the brain N-glycome. Sci Adv. 2023;9(49):eadg2615. doi: 10.1126/sciadv.adg2615.