人脑是一个极其复杂的器官，大脑在达到成熟之前必须经历一段漫长的发育时期。由于人类大脑及其发育的独特性，越来越多的研究者们聚焦于揭示其细胞和分子进化的过程。目前关于人脑特征的大部分知识来源于比较“组学”研究，涉及人类和灵长类动物的基因组、转录组、蛋白组和代谢组水平。然而，在灵长类动物脑进化的背景下，翻译后糖修饰的作用尚未得到探讨。

2023年12月8日，美国耶鲁大学的Nenad Sestan研究团队和克罗地亚萨格勒布大学的Gordan Lauc研究团队共同在Science Advance上发表了题为“Human-specific features and developmental dynamics of the brain N-glycome”的研究论文，该研究通过N-糖组学技术对大鼠、猕猴、黑猩猩和人类大脑的多区域进行了表征，并将数据与转录组数据相结合，探究糖基化相关基因的表达与灵长类脑进化背景下N-糖基化之间的关系。最后，通过比较出生前和成年人脑的N-糖组学揭示了成熟脑神经发育途径，为理解脑发育及功能做出了重大贡献。

英文标题：Human-specific features and developmental dynamics of the brain N-glycome

中文标题：脑N-糖组揭示人类特异性特征和发育动力学

期刊：Science Advance

年份：2023年12月8日

影响因子：13.6

组学技术：N-糖组学、转录组、蛋白质组

样本类型：脑组织

一、研究思路

图1研究思路（图源：Klarić TS et al., Science Advance, 2023 ）

二、研究结果

1.小脑N-糖组的独特性

为了在整体水平上探索各种脑组织N-糖组之间的关系，本研究使用分层聚类和t-随机邻居嵌入（t-SNE）分析N-聚糖峰丰度的数据，结果表明小脑皮层（CBC）表现出最独特的N-糖组，甚至超过了大的系统发育树距离。尽管如此，CBC集群内的系统发育差异也很明显，可以归因于各种n-聚糖特征的谱系特异性改变，包括人类特异性的半乳糖基化密度增加（图2）。

图2大脑N-糖组的解剖学和系统发育变化的特征（图源：Klarić TS et al., Science Advance,

2.脑N-糖组分析系统发育趋势和人类特异性特征

本研究通过比较不同物种的等效同源区域N-糖基化图谱来深入了解神经糖组在灵长类进化过程中的变化。从图3可以看出，复杂N-聚糖的相对丰度呈明显的线性趋势，其中大鼠的相对丰度最低，人类的相对丰度最高。综合复杂N-聚糖丰度的空间和系统发育变化的信息发现N-糖组复杂性的峰值出现在人类的皮层区域。另外，研究人员还观察到一个显著的系统发育趋势，即从大鼠到猕猴再到人类中α(2-6)连接的Neu5Ac消耗的增加。总之，研究数据表明人脑N-糖组的进化表现为全脑范围内N-糖组复杂性的增加，同时α(2-6)-连接Neu5Ac的消耗增加。

图3真核生物脑N-糖基化的系统发育趋势（图源：Klarić TS et al., Science Advance, 20

除了广泛的进化趋势之外，本研究还揭示了脑N-糖基化的明显分类群的特异性差异，包括脑N-糖组的几个人类特异性差异，主要与Neu5Ac连接的差异相关（图4）。

图4各脑区N-糖基化的显著分类群特异性差异（图源：Klarić TS et al., Science Advance,

3.灵长类动物大脑中糖基因表达的区域和细胞类型分析

本研究比较了糖基因在人类大脑区域的表达，发现大多数糖基因（47个中的29个）可以归类为具有明显区域特异性的少数重复表达谱之一。利用灵长类DFC单核RNA-seq （snRNA-seq）表达数据来表征神经细胞类型中糖基因的表达，根据它们的表达谱对糖基因进行聚类分析，揭示了它们的细胞类型分布的明显异质性。虽然总体聚类模型在灵长类动物中很大程度上是保守的，但一些进化差异是明显的（图5）。

图5 特定糖基因的人类特异性和细胞类型特异性表达模式（图源：Klarić TS et al., Science Adva

4.神经发育过程中人脑N-糖组的空间变化

通过分析产前人脑中相应的大脑区域，本研究探索了形成成人大脑N-糖的发育途径。全局N-糖组的层次聚类和主成分分析显示，胎儿中期大脑的N-糖基化在区域上比成人大脑更均匀，而且CBC的N-糖组尚未分化。脑N-糖组的整体发育完全的过程在所有区域都是类似的，其特点是杂合和截断N-聚糖的比例增加，而复杂类型主要是唾液酸化类型的减少，N-糖组的CBC特异性成熟的特征在于M6结构丰度的增加以及半乳糖化和唾液酸化密度的增加。因此，本研究的数据表明人脑N-糖组在N-聚糖唾液酸化的调节方面经历了广泛的变化（图6）。

图6大脑中不同空间的N-糖基化谱（图源：Klarić TS et al., Science Advance, 2023

三、小结

综上所述，研究表明在灵长类动物中，大脑N-糖组的分化速度比潜在的转录组框架更快，并且人类大脑N-糖组进化的特征是复杂性聚糖的总体增加以及α（2-6）连接的N-乙酰神经氨酸的消耗增加。此外，研究鉴定了关键糖原的细胞类型表达模式的种间差异，揭示了成熟脑中不同空间N-糖基化谱的区域特异性神经发育途径。

四、 拜谱小结

本研究进行了一项多区域N-糖组学比较研究，确定了灵长类动物特有的进化特征，并在解破学上进行精确定位，发现了人类大脑N-糖基化的特异性特征。拜谱生物全新推出完整糖肽的蛋白质组学服务，通过高效的富集手段、权威的分析软件能够同时实现N-糖和O-糖的糖基化位点、糖型、糖肽和糖蛋白的完整解析。由此拜谱生物建立了N-糖基化修饰组、O-糖基化修饰组、完整糖肽蛋白质组的糖蛋白组学服务。欢迎大家咨询!

参考文献：Klarić 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.