你的大脑很特别。
我的也是。差异出现在这个器官惊人复杂的结构的每个层面；人类大脑包含1000亿个神经元，它们分为数千种类型，共同形成了估计超过100万亿个互连。这些差异反过来又导致我们在思考、学习和行为方式以及我们患精神疾病倾向方面的差异。
大脑布线和功能的多样性是如何产生的？我们从父母那里继承的基因变异可能发挥作用。然而，即使是同一对父母养育的同卵双胞胎，他们在心理功能、行为特征以及患精神疾病或神经退行性疾病的风险方面也可能存在显着差异。事实上，在实验室中以完全相同的方式处理的基因相同的转基因小鼠，即使年龄、性别和护理保持不变，在学习能力、恐惧回避和对压力的反应方面也表现出差异。一定还有其他因素在起作用。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
当然，我们生活中的经历也很重要；例如，它们可以影响特定神经元组之间连接的强度。但研究人员越来越发现令人兴奋的迹象，表明其他因素也在起作用——例如，在胚胎早期发育或生命后期改变基因或影响基因行为的过程。这些现象包括可变剪接，其中单个基因可以产生两种或更多种不同的蛋白质。蛋白质执行细胞中的大部分操作，因此细胞中制造哪些蛋白质将影响构成这些细胞的组织的功能。许多研究人员还在探索表观遗传变化的作用——DNA修饰会改变基因活性（增加或减少特定蛋白质的合成），而不会改变基因中的信息。
在过去的几年里，我们两人和我们的同事发现了一些特别有趣的嫌疑对象，它们似乎在大脑中比在其他组织中更活跃：跳跃基因。这种基因已在几乎所有物种（包括人类）中发现，可以将自身的拷贝粘贴到基因组（细胞核中DNA的完整集合）的其他部分，并改变受影响细胞的功能，使其行为与紧邻的另一个完全相同的细胞不同。许多不同细胞中的许多此类插入预计会产生认知能力、性格特征和神经系统问题易感性方面的细微或不那么细微的差异。
我们早期在大脑中发现的基因跳跃现象引导我们提出了另一个问题：鉴于大脑的正常功能对生存至关重要，为什么进化允许一种摆弄其遗传程序的进程持续存在？虽然我们仍然没有明确的答案，但越来越多的证据表明，通过诱导脑细胞的变异性，跳跃基因可能使生物体具有快速适应不断变化的环境的灵活性。因此，这些跳跃基因——或称作移动元件——可能在进化上被保留下来，因为从促进物种生存的角度来看，这种适应优势超过了风险。
古老的入侵者
移动元件存在并在基因组中移动的想法并不新鲜，但最近的证据表明它们在大脑中如此活跃，这令人惊讶。基因跳跃最早在植物中被发现，甚至早于詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在1953年阐明DNA的双螺旋结构。在1940年代，冷泉港实验室的芭芭拉·麦克林托克观察到“控制元件”在玉米植物的遗传物质中从一个地方移动到另一个地方。她发现，在压力下，基因组中的某些区域可以迁移并在其新位置打开和关闭基因。麦克林托克实验的产物是现在著名的玉米穗，其种子颜色各异——这证明了遗传镶嵌现象，即特定细胞中的基因可能以不同于其他完全相同的相邻细胞的模式打开或关闭。
麦克林托克的研究最初在科学界遇到了怀疑，但最终使她在1983年获得了诺贝尔奖。随后的几年里，人们清楚地认识到，遗传镶嵌现象不仅限于植物，也发生在包括人类在内的许多生物体中。
麦克林托克研究的是转座子，这是一种移动元件，它使用剪切粘贴机制在细胞基因组中移动一段DNA。最近对大脑中移动元件的研究集中在逆转座子上，它采用复制粘贴方法将自身插入基因组的新区域。它们基本上复制自身，而不是从周围的DNA中弹出，之后副本在其他地方占据新位置。
逆转座子构成了人类基因组中多达一半的核苷酸或DNA构建块。相比之下，我们拥有的约25,000个蛋白质编码基因构成了哺乳动物DNA的不到2％。跳跃基因是第一批原始分子复制系统的后代，这些系统很久以前就入侵了真核生物（具有包含细胞核的细胞的生物体）的基因组。由宾夕法尼亚大学的海格·H·卡扎济安二世领导的小组在1988年表明，曾经被认为是无功能垃圾DNA的逆转座子在人体组织中具有活性。
特别是，一种称为长散布元件1（L1）的逆转座子类型似乎是人类基因组中的关键参与者。它可能能够频繁跳跃，因为它与人类中的其他移动元件不同，它编码了自己的机制，用于在细胞基因组中广泛传播自身的副本。对其在细胞中行为的分析表明，当核基因组中的L1被某些因素促使开始“跳跃”过程时，它首先将自身转录为单链RNA，然后RNA从细胞核移动到细胞质，在那里它充当构建某些L1 DNA部分指定的蛋白质的模板。然后，蛋白质与仍然完整的RNA形成分子复合物，并且整个复合物返回细胞核。在那里，蛋白质之一，一种称为核酸内切酶的酶，在DNA中的特定位点产生切口。它还使用RNA作为模板来产生原始L1逆转座子的双链DNA副本，并将此副本插入到基因组中切口所在的位置。这种从RNA到DNA的反转录作用对今天的许多人来说都很熟悉，它是HIV病毒获得其RNA基因组的DNA副本并在其感染的细胞基因组中永久安家的方式的一部分。
逆转座通常无法完成其过程，这会产生原始L1 DNA的截短、无功能副本。有时，这些片段（或整个L1副本）对蛋白质编码基因没有影响。但是，在其他时候，它们可能会对细胞的命运产生多种后果，包括好的和坏的后果。例如，它们可能会插入基因的蛋白质编码区，从而改变基因的蛋白质编码区。这种操作可能导致产生有助于或损害生物体的新蛋白质变体。或者，这种定位可能会阻止特定蛋白质的产生。在其他情况下，新粘贴的DNA可能落在编码区域之外，但充当启动子（可以打开附近基因的开关）并改变基因表达水平——从基因产生的蛋白质的数量——再次对细胞和生物体产生好坏结果。当LI逆转座子最终出现在神经元中的许多位置或大脑的许多细胞中，或两者兼而有之时，大脑将与没有其影响形成的大脑非常不同。因此，这种遗传镶嵌现象可能会影响行为、认知和疾病风险，并且还可以帮助解释为什么一个同卵双胞胎可能保持无病，而另一个同卵双胞胎被诊断出患有精神分裂症，例如。
跳跃发生在何处？
直到最近，大多数了解L1逆转座的研究人员都认为它主要发生在生殖细胞（卵巢或睾丸）中。虽然一些线索表明L1基因在早期发育或稍后阶段在体细胞（非性细胞）中保持活跃，但这些线索通常被驳回。如果基因仅仅是为了传播自身而存在，正如一种进化理论所认为的那样，跳跃基因将几乎没有理由在体细胞中保持活跃，因为这些细胞不会将DNA传递给生物体的下一代：毕竟，受影响的细胞会在其宿主死亡时死亡。
更好的检测工具现在已经揭示，逆转座子可以在早期发育甚至生命后期在体细胞组织中移动。这些事件发生在大脑中的频率高于其他组织——这对长期以来的教条提出了直接挑战，即成年人脑细胞的遗传密码彼此相同，并且在其细胞的生命中保持稳定。
例如，在我们位于加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物研究所的实验室中，我们监测了一只小鼠的基因跳跃，这只小鼠的细胞经过基因工程改造，可以进行逆转座，并在L1元件插入其体内任何位置的细胞基因组时发出绿色荧光。我们观察到发光的绿色细胞仅在生殖细胞和某些大脑区域（包括对记忆和注意力很重要的海马体）中，这表明L1在大脑中的移动可能比在其他体细胞组织中更多。有趣的是，跳跃发生在产生海马神经元的前体细胞中。
在完全形成的生物体的各个器官中，一小部分前体细胞随时待命，准备分裂并产生专门的细胞类型，以替换死亡的细胞。海马体是神经发生（新神经细胞的产生）发生的两个大脑区域之一。因此，L1似乎在神经元诞生的早期发育过程中很活跃，但它们也可以在成年大脑中继续产生新神经元的区域移动。
即使进行了小鼠实验，也需要更多证据证明逆转座实际上发生在大脑中。我们对人类死后材料进行了分析，比较了大脑、心脏和肝脏组织中L1元件的数量。我们发现，与心脏或肝脏组织相比，大脑组织在每个细胞核中包含明显更多的L1元件。
大部分跳跃一定发生在早期的脑部发育过程中，因为逆转座需要细胞分裂——除了在儿童早期之后发生的两个受限制的区域外，大脑中没有发生细胞分裂的过程。一项分析表明，人类的每个神经细胞平均经历80次L1整合事件，这种速率很可能导致细胞之间以及不同个体的整体大脑活动中存在大量变异。
爱丁堡罗斯林研究所的研究人员及其同事最近的一项发现进一步证实了L1在人脑中的活性。研究人员在2011年的《自然》杂志上报道说，在三名已故个体的海马体和尾状核（也参与记忆）中总共插入了7,743个L1，其中包含整合的L1元件。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）该研究还暗示，随着这项研究的进展，大脑中遗传多样性的新兴画像只会变得更加复杂。罗斯林团队惊讶地发现了大约15,000个被称为短散布元件（SINE）的逆转座子类别的成员。主要的SINE是已知为Alu元件的群体的一部分，以前从未在大脑中遇到过。
我们的发现让我们想知道是什么可能触发L1活性。我们知道海马体也是神经发生的场所，并且接触新奇事物和运动会触发小鼠的神经发生，因此我们决定看看运动是否可能是基因跳跃的刺激因素之一。我们发现，在我们的转基因小鼠在轮子上奔跑后，啮齿动物海马体中绿色荧光细胞的数量增加了约两倍。鉴于新奇和挑战也会促进神经发生，我们正在考虑新环境或不熟悉的环境可能是逆转座的另一个诱因的可能性。
如果我们是正确的，并且随着神经系统学习和适应外部世界，L1跳跃确实会增加，那么这一发现将表明，即使在基因相同的双胞胎中，个体大脑和构成它们的大脑神经网络也在不断变化，并随着每次新的体验而改变。
疾病的起源
我们正在继续扩大证据，以支持跳跃基因通过超越仅仅计算DNA中的L1来促进人类大脑处理变异的假设。在我们寻求将我们的数据与对活人产生积极或有害影响的真实事件联系起来的过程中，有时最容易查明基因跳跃导致的坏结果，仅仅是因为后果是如此明显。
2010年11月，我们的团队在《自然》杂志上报道说，一个名为MeCP2的基因的突变影响了大脑中的L1逆转座。MeCP2基因的突变可诱发雷特综合征，这是一种几乎只影响女孩的严重脑发育障碍。在雷特综合征和其他精神疾病患者中发现MeCP2发生突变，引发了关于这种疾病的分子和细胞机制的多个问题。我们的研究表明，雷特综合征小鼠和人类大脑中的突变导致其神经元中L1插入的数量显着增加——这一发现表明跳跃基因可能是MeCP2突变某些影响的原因。
L1活性也出现在其他疾病中。对精神分裂症患者额叶皮层区域的分析显示，与没有该疾病的人相比，移动元件序列的产生增加。间接证据表明，L1元件是各种脑部疾病的重要组成部分，包括自闭症。了解移动元件在精神疾病发展中的作用可能导致诊断、治疗和预防的新方法。
对大脑中跳跃基因的持续研究可能会挑战整个学术学科。行为遗传学家经常长期跟踪同卵双胞胎群体，以控制基因的影响并确定环境对精神分裂症等疾病的贡献。新的研究结果表明，跳跃基因在胚胎形成后积极修改基因组，这质疑了“同卵”双胞胎在基因上是相同的假设。事实上，新的发现将使我们更难理清先天和后天对我们心理的相对影响。
问题仍然存在：鉴于跳跃基因很有可能引入潜在的致命遗传缺陷，为什么进化没有摧毁我们细胞内这些古老病毒的残余物？为了回答这个问题，我们应该承认，人类一直受到病毒寄生虫和其他入侵者的攻击，这些入侵者利用跳跃DNA扩大了我们基因组的大小。人类和我们进化祖先的身体可能无法完全消除入侵者，但它们已经适应了至少与入侵者共存，方法是通过各种巧妙的机制来沉默它们，这些机制会突变并禁用它们。似乎在某些情况下，我们的基因组已经征用了L1逆转元件的遗传机制来增强我们自身的生存能力，这可能是细胞有时允许甚至鼓励L1在严格控制的条件下在基因组中跳跃的原因之一。
为什么它们持续存在的一个线索可能来自对以下发现的更深入分析：在高度受控条件下饲养的单一遗传品系的小鼠对压力的反应差异很大。观察到的行为差异通常分布在人群中（想象一个钟形曲线），这种模式暗示产生这种变异性的机制是随机的，正如L1逆转座子插入的位点似乎是随机的一样。
L1在基因组中从一个位置移动到另一个位置的方式的假定随机性意味着自然选择实际上可能是在掷骰子，希望有益插入的好处将超过其他插入的任何有害后果。大自然可能经常在海马体的神经前体细胞上下注，以便最大限度地提高至少一些新位置将产生特别适合大脑将要面对的任务的成体神经元的可能性。当免疫细胞中的DNA重新排列自身以产生一系列抗体时，也会发生类似的过程，之后仅选择最适合抵抗病原体的抗体进行大规模生产。
这种情况似乎并非牵强附会。L1介导的影响不需要很大，也不需要发生在许多细胞中才能影响行为。在啮齿动物中，单个神经元放电模式的改变可能足以产生影响。
对这种想法的更多可能支持是发现目前在人类基因组中活跃的唯一L1跳跃元件谱系大约在270万年前进化而来，在从黑猩猩到双足行走的早期人类的进化分裂之后——当时我们的原始人类祖先才刚刚开始采用石器工具。这一发现为以下观点提供了可信度：L1元件可能帮助构建了能够快速处理环境信息的，从而能够更轻松地应对不断变化的环境和气候条件的大脑。L1跳跃基因似乎是促进智人进化的合作伙伙伴。
本文以“是什么让每个大脑独一无二”为标题印刷出版。
您阅读 大众科学 以了解最新的科学研究和发现吗？如果是，请提名我们参加肖蒂奖的科学奖项： 在此投票。