區分人類和黑猩猩的特徵在地表上看起來很明顯。人類是更優雅的滑冰者，而且我們穿燕尾服比我們最親近的靈長類親戚更有風度。然而，在基因層面上，我們是非常相似的物種。我們DNA中包含製造蛋白質（我們身體的基石）指令的部分差異不到1%，但蛋白質編碼基因只是我們基因組的一小部分。人類和黑猩猩之間一些最大的差異在於基因之外的DNA。
大約10年前，格拉德斯通研究所和加州大學舊金山分校的生物統計學家凱瑟琳·波拉德比較了這兩個物種，並確定了人類基因組中獨特的區域。現在，她領導著一個研究團隊，正在揭示其中716個特定於人類的DNA區域如何協同工作，以創造將我們與其他靈長類動物區分開來的生物學特徵。
這些700多個DNA片段大多數位於我們的基因之外，波拉德最新的研究部分解開了它們功能的謎團。透過採用生物技術的新技術，加州大學舊金山分校的科學家們能夠工程改造數千個人類和黑猩猩的腦細胞，並測試這716個“人類加速區域”（HARs）如何影響這兩個物種細胞的發育。在此過程中，她的團隊發現了治療自閉症、精神分裂症和其他神經精神疾病的可能新靶點。這項尚未經過同行評審的研究於1月30日釋出在預印本伺服器bioRxiv上。
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自從波拉德在2006年首次發表她關於HARs的研究以來，解讀它們的生物學功能進展緩慢。當時，研究HARs的唯一選擇是將單個HAR費力地拼接到受精的小鼠卵子的DNA中，並觀察其對成年小鼠的影響。為了全面研究所有HARs如何影響人類生物學，她需要一種更快的研究方法。
幾年前，波拉德開始與加州大學舊金山分校另一個實驗室的遺傳學家納達夫·阿希圖夫合作，建立一種將人類和黑猩猩的皮膚細胞轉化為多能幹細胞的方法，這些幹細胞有可能變成幾乎任何其他細胞型別。該團隊可以選擇誘導它們變成肝臟、心臟或骨骼細胞，但對於他們對HARs的首次研究，顯而易見的選擇是影響我們物種最獨特特徵——智力的細胞。波拉德和阿希圖夫一次性創造了數千個神經元，並將HAR DNA拼接到這些細胞中。然後，他們檢查了HARs在細胞發育的兩個不同階段所起的作用。
他們發現，幾乎一半的DNA片段（在黑猩猩基因組中自然不存在）在生長的神經元中是活躍的。但是，HARs並沒有產生蛋白質；它們位於科學家曾經稱為“垃圾DNA”的基因組部分，並且它們控制著神經元基因產生的蛋白質數量。結果令阿希圖夫感到驚訝：“這是對所有這些序列的首次全面研究，它表明其中43%……可能在神經發育中具有功能性作用。”
據波拉德稱，黑猩猩基因組中與HARs類似的區域在數百萬年中根本沒有發生變化，並且與大多數動物的相同區域幾乎相同。波拉德說，自然選擇一直在阻止這些動物基因組的這些部分發生變化，但當我們的祖先在大約六百萬年前與黑猩猩分離後，一定發生了什麼事情來減輕人類的進化壓力。“大多數[HARs]都有如此多的變化，以至於它們不僅獲得了隨機突變，而且……攜帶這些變化的個體產生了更多的後代，”波拉德說。是什麼原因導致這種情況發生仍然是一個懸而未決的問題。如此多的HARs參與神經元發育這一事實表明，這種變化可能與智力的進化有關，智力是一個極其複雜的特徵，是基因組中數百個突變的產物。
然而，這些變化也帶來了一些嚴重的缺點。“許多HARs位於與人類特有疾病相關的基因附近，如自閉症、精神分裂症等，”阿希圖夫說。這一結果表明，這些疾病不是由大腦發育基因本身引起的，而是由HARs調節它們的方式引起的。波拉德和阿希圖夫的部分研究側重於解讀七個不同HARs中每個單獨的突變如何改變基因的活性。該團隊發現，單個突變會增加或減少基因產生的蛋白質數量。本質上，自然選擇正在微調基因的表達方式，因為特定蛋白質過多或過少都可能導致問題。波拉德解釋說，在自閉症中，“基因組不同部位的許多突變聚集在一起，共同產生微小的變化，這些變化共同將個體推過我們所說的他們患有自閉症的閾值。”她補充說：“我們其他人也有其中一些突變，只是低於那個閾值。”
波拉德和阿希圖夫在本研究中使用的實驗方法可能能夠向醫學研究人員展示基因組的哪些部分可以作為新療法的靶點。德克薩斯大學西南醫學中心的自閉症研究員瑪麗亞·查赫爾（未參與這項工作）一直在面臨這個問題，因為她試圖瞭解自閉症如何在基因組中顯現出來。“我們正在進行大量的全基因組測序，這將識別出基因組非編碼區域中的許多變異，”她說。“現在，當我們在這些HAR區域中發現疾病變異時，我們不會忽視它們。”
波拉德和阿希圖夫已獲得美國國立衛生研究院的資助，以研究HARs對大腦進化的貢獻及其在疾病中的作用。他們還將檢查基因組的這些片段如何參與精子和其他型別細胞的發育。同時檢查數千個細胞基因組的非編碼區域的能力可能為解決關於人類和其他生物體基因組的各種問題提供強大的方法。對於瞭解導致現代人類物種進化的基因變化而言，這可能也是僅次於時間機器的最佳方法。“我們永遠無法在進化時間中看到過去發生的事情，”波拉德說，“但我們能夠在實驗室中重現[過去]，並測量其功能。”