發布時間：2025-12-03
???近日，中國科學院腦科學與智能技術卓越中心孫強團隊和上海交通大學毛亞飛團隊聯合國內外多家機構科研團隊在人類2號染色體起源研究領域取得重要進展。相關成果發表在Cell Genomics上，題為“Incomplete lineage sorting of segmental duplications defines the human chromosome 2 fusion site early during African great ape speciation”。該研究系統解析了人類2號染色體的融合起源的遺傳成因，明確其開始發生于非洲大猿祖先早期演化階段，并在現代人類基因組中融合位點處形成一個由多段片段重復構成的復雜橋接結構。研究提出，不完全譜系分選（ILS）驅動亞端粒結構多樣性是融合得以固定的關鍵遺傳演化機制。進一步的功能實驗表明，該融合位點可能具有調控神經發育基因表達的能力，從而參與塑造人類獨特的腦特征。 
在人類與其他大猿之間，染色體數量的差異一直被視為靈長類演化中最醒目的標志之一。人類（23對染色體）相較于黑猩猩、大猩猩等大猿少一對染色體，其根源在于染色體2a與2b在進化過程中發生了“頭對頭”融合，形成了現代人類的2號染色體。1991 年，研究者在2q13–2q14區域發現反向排列的端粒重復，為端粒–端粒融合提供了最早的細胞遺傳學證據。 由于融合區域極度復雜，富含衛星DNA、轉座子以及大規模片段重復，其復雜性長期阻礙了對融合時間與形成機制的精確定義，使既往推斷跨度從90萬年至 700 萬年不等。加之早期分析手段有限，這一融合何時出現、以何種結構方式形成、是否影響了人類特有生物學特征（如大腦發育）等關鍵問題一直未得到直接證據回答。
本研究基于對復雜重復序列的高精度解析，發現人2號染色體融合并非兩條祖先染色體簡單的“首首相接”，而是在其間形成了約109kb的復雜“橋接”結構。該結構由三段來源各異的片段重復（SD_fusion_A/B/C）組成，并保留與黑猩猩亞端粒高度同源的序列，呈現出深層的古老遺跡。系統發育分析進一步揭示，該區域片段重復的基因樹與人類、黑猩猩和大猩猩的物種樹明顯不一致，呈現顯著的不完全譜系分選（ILS）特征，其程度遠高于全基因組平均水平。這表明人類保留了來自非洲大猿早期祖先的多樣結構單倍型，融合事件可能起源于共同祖先階段，并在不同譜系中隨機傳遞。為了進一步探究了融合事件產生的生物學作用，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，在人類誘導多能干細胞（iPSC）中雜合敲除了融合位點，發現融合位點的缺失導致神經祖細胞的轉錄調控重塑顯著，多個涉及軸突生成、神經元分化、前腦發育和發育調控基因改變。這一結果提示，融合位點可能作為重要的調控序列，參與塑造人類獨特的神經系統特征。
該研究首次明確融合事件的起始可追溯至非洲大猿物種形成早期（>500–700萬年前），遠早于人類與黑猩猩的譜系分化，并提出2號染色體融合的新演化模型，為探索“人類為何獨特”這一核心科學問題提供了新的證據與研究框架。
圖2. 兩種演化模型的示意圖對比
綜上所述，該研究提出的2號染色體融合的新演化模型指出，在非洲大猿祖先種群規模龐大，亞端粒區域結構多樣性高的背景下，不完全譜系分選（ILS）成為驅動該區域重塑的核心動力?，F代人類最終繼承的特定亞端粒結構，為融合的發生提供了獨特的遺傳背景。該發現不僅對既往融合機制的認識提出了新的見解，也為理解現代人類獨特核型的形成提供了堅實的遺傳基礎。
論文通訊作者為上海交通大學毛亞飛研究員、中國科學院腦智卓越中心孫強研究員與華盛頓大學Evan E. Eichler教授。上海交通大學本科生楊子坤、博士生蔣欣芮、助理研究員楊翔宇以及中國科學院腦智卓越中心博士生張璐為本文的共同第一作者。該研究獲得新基石科學基金會所設立的科學探索獎、國家自然科學基金、科技部重點研發計劃和上海交通大學2030專項等多項資助支持。
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