Nat Genet | 一个保守基因的调控进化：石磊团队揭示灵长类大脑皮层如何逐步扩张与折叠？

人类新皮层的扩张和高度折叠，是认知进化的重要基础。过去，人们更多关注人类特异新基因，如NOTCH2NL、ARHGAP11B等【1-4】。但一个关键问题是：除了“从无到有”的新基因，那些在哺乳动物中保守存在的古老基因，是否会通过调控序列的进化，参与了灵长类大脑皮层的渐进式扩张与折叠？

近日，中国科学院昆明动物研究所石磊团队在Nature Genetics上发表了文章CCNB1IP1regulatory evolution underlies gradual increases in cortical size and folding in primates，通过跨物种比较研究，发现了一个此前未被完全认识的基因——CCNB1IP1。研究发现，CCNB1IP1在灵长类大脑中表达逐步升高，并通过泛素化降解E2F1、促进基底祖细胞增殖和神经元输出，最终促进皮层扩张与折叠。

如果将人类大脑皮层的进化视为一场漫长的调控网络演化，新基因的起源仅是其中一部分；更关键的，在于古老基因调控元件的逐步演变。CCNB1IP1 即为典型例证。 研究团队以树鼩作为灵长类近缘外群，整合人、猕猴和小鼠等物种胚胎皮层转录组数据，聚焦于富含基底祖细胞且与皮层扩张密切相关的脑室下区（SVZ），最终鉴定出CCNB1IP1在人类SVZ中呈现显著高表达。

古老基因的“老本行”：细胞周期刹车

值得一提的是，CCNB1IP1并非神经发育的“专职”基因。它又名HEI10，早在2003年，Toby等人在非洲爪蟾卵提取物研究中发现【5】，HEI10过表达会降低Cyclin B水平，抑制核膜破裂，延迟有丝分裂进入。作为E3泛素连接酶，它通过泛素化降解Cyclin B来“踩刹车”，限制有丝分裂进入，参与G2/M期的进程调控。这一功能在脊椎动物中高度保守——HEI10 同样能降低酵母中Cyclin B同源蛋白Clb2p的水平。换言之，CCNB1IP1调控细胞周期这一生化活性在进化上是古老的。这一进化过程并非创造一个全新基因，而是通过调控序列的改变，在特定发育场景中增强这一古老的细胞周期调控能力，使其产生新的功能效应。

一条与皮层扩张折叠平行的渐进化曲线

Western blot显示，CCNB1IP1蛋白水平从小鼠、树鼩、狨猴、猕猴、长臂猿、黑猩猩到人，呈现逐步升高趋势，人类最高。其表达水平与进化分化时间、脑重和皮层折叠指数均显著正相关。值得注意的是，无脑回的狨猴表达水平与树鼩接近，而有脑回的猕猴显著更高。

单细胞数据进一步显示，CCNB1IP1在人神经祖细胞中高表达，尤其是在基底祖细胞中高于顶端祖细胞；在人脑类器官和iPSC来源神经祖细胞（NPC）中，CCNB1IP1的表达量也高于黑猩猩、猩猩等。这些结果说明，CCNB1IP1的表达并非在人类中突然出现，而是在灵长类大脑进化中经历了渐进式上调。

调控开关：不是蛋白变了，而是表达被逐步调高

由于CCNB1IP1蛋白序列高度保守，研究者把目光转向顺式调控元件。通过人胚胎皮层3D表观基因组数据，他们鉴定出CRE1和CRE2两个候选元件。CRE1具有活跃启动子标志H3K4me3，荧光素酶实验证明其具有启动子活性，且人类CRE1活性显著高于黑猩猩；CRE2则作用有限。进一步将CRE1细分为R1–R5，其中R3和R4的跨物种活性变化，与CCNB1IP1表达和进化分化时间高度一致。

尤其有趣的是，R3中第677位在人中为G，而在多数其他灵长类中为A/T。将人R3该位点由G突变为A，其活性显著降低；将黑猩猩R3相应位点由A突变为G，则活性明显提高。转录因子预测和验证提示，这一单碱基变化改变了YY1、CREB等转录因子的结合，进而影响调控活性。换言之，灵长类大脑进化中CCNB1IP1的表达上调，至少部分源于调控元件上关键碱基的微调。

功能验证：让基底祖细胞多扩增，神经元多产出

功能上，CCNB1IP1过表达可增加EdU+增殖细胞比例，使细胞周期G1期缩短、S期增加。FUCCI成像显示，CCNB1IP1表达后G1期细胞比例和细胞倍增时间显著降低，S/G2/M期细胞和分裂事件增加。

在小鼠宫内电转实验中，CCNB1IP1特异性促进SVZ祖细胞增殖，增加PAX6+和EOMES+基底祖细胞数量；长时程电转还显著增加了上层BRN2+神经元的数量。这说明CCNB1IP1能增强基底祖细胞的增殖能力，并提高神经元产出。就皮层进化而言，基底祖细胞增殖与神经元输出这种幅度有限但持续存在的增强，经过长期进化累积，可能构成了皮层扩张与折叠的重要细胞学基础。

体内验证：人源CCNB1IP1足以让小鼠皮层出现折叠

为验证体内功能，研究者构建了CCNB1IP1条件敲入小鼠，并通过Emx1-Cre和Nestin-Cre在神经祖细胞中表达人CCNB1IP1，使其在皮层中的表达水平达到猕猴物种的相当程度。结果令人惊讶：部分敲入小鼠出现明显皮层折叠，脑体积增加，局部脑回指数显著升高，且折叠表型在多个独立窝系中均可观察到。皮层分层整体保留，但上层Satb2+/Brn2+神经元增加，深层Tbr1+/Ctip2+神经元无明显变化；脑沟处上层神经元减少，类似猕猴等脑回动物的组织模式。

行为学上，敲入小鼠在新物体识别中表现出更强的记忆能力，开放场中探索活动增加，社交行为无明显差异，水迷宫学习略有增强。提示皮层扩张和折叠可能对记忆相关功能产生影响。

机制：E2F1是CCNB1IP1在神经细胞中的新功能靶点

CCNB1IP1含有RING finger结构域，是一种E3泛素连接酶。此前研究已表明，它可通过泛素化途径调控Cyclin B和MYCN等蛋白【5,6】。在神经细胞中，研究者进一步发现E2F1是其关键功能靶点。过表达CCNB1IP1后，细胞周期相关基因及E2F1靶基因显著下调；敲低CCNB1IP1则减少E2F1的多泛素化，并升高E2F1蛋白水平。在CCNB1IP1条件敲入小鼠脑内，E2F1多泛素化增加、蛋白水平下降；与此一致，人类E2F1蛋白水平也显著低于小鼠。这些结果提示，CCNB1IP1在神经祖细胞中可能通过促进E2F1泛素化降解来发挥其功能，进而调控G1/S转换，促进基底祖细胞增殖，最终增加神经元输出并推动皮层扩张与折叠。该机制提示了CCNB1IP1在神经发育中的功能，也为理解灵长类大脑皮层扩张和折叠提供了新的分子线索。

总结与展望

这项工作把“保守基因的顺式调控进化”推到了灵长类皮层进化的舞台。人类大脑的扩张和折叠不仅依赖人类特异新基因，也依赖古老基因调控开关的微调。CCNB1IP1在灵长类进化中逐步上调，增强基底祖细胞增殖，增加上层神经元输出，从而让小鼠皮层出现折叠。未来，E2F1在皮层发育中的因果作用、CCNB1IP1对神经连接和认知功能的影响，值得进一步探索。

昆明动物所博士研究生胡庭、副研究员马鹏程、博士研究生孔一帆、助理研究员谭玉莲为该论文共同第一作者。中国科学院遗传与发育研究所博士研究生孙雪莲，昆明动物所博士后王健宏以及昆明理工大学客座访问学者向坤参与了该项工作。该工作还得到了遗传发育所研究员吴青峰、昆明动物所研究员毛炳宇、美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授Soojin Yi的大力支持与帮助。昆明动物所石磊研究员为该研究的唯一通讯作者。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-026-02773-x

制版人： 十一

参考文献

1、Florio, M. et al. Human-specific gene ARHGAP11B promotes basal progenitor amplification and neocortex expansion.Science347, 1465–1470 (2015).

2、Fiddes, I. T. et al. Human-specific NOTCH2NL genes affect Notch signaling and cortical neurogenesis.Cell173, 1356–1369.e22 (2018).

3、Suzuki, I. K. et al. Human-specific NOTCH2NL genes expand cortical neurogenesis through Delta/Notch regulation.Cell173, 1370–1384.e16 (2018).

4、Heide, M. et al. Human-specific ARHGAP11B increases size and folding of primate neocortex in the fetal marmoset.Science369, 546–550 (2020).

5、Toby, G. G., Gherraby, W., Coleman, T. R. & Golemis, E. A. A novel RING finger protein, human enhancer of invasion 10, alters mitotic progression through regulation of cyclin B levels.Mol. Cell.Biol. 23, 2109–2122 (2003).

6、Zhou, Y. et al. CCNB1IP1 prevents ubiquitination-mediated destabilization of MYCN and potentiates tumourigenesis of MYCN-amplificated neuroblastoma.Clin. Transl. Med.13, e1328 (2023).

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