一项发表于《自然·神经科学》的研究揭示，转录因子CLOCK在人类新皮层中的表达模式及其功能与小鼠存在显著差异。通过构建“人源化”CLOCK小鼠模型，研究者发现，人类CLOCK能够增强新皮层兴奋性神经元的树突复杂性、棘密度和突触传递，并提升认知灵活性。该研究首次证明，CLOCK蛋白在人类中可能获得了与昼夜节律无关的、促进新皮层功能的新进化功能，为理解人类大脑特殊化的分子机制提供了新线索。

背景：CLOCK的“兼职”功能

CLOCK是生物钟核心转录因子，与BMAL1形成二聚体驱动昼夜节律基因表达。然而，研究发现CLOCK在人类新皮层中的表达水平显著高于非人灵长类和小鼠，且在兴奋性神经元中尤其富集，这暗示CLOCK可能具有物种特异性的、独立于昼夜节律的新皮层功能。

关键发现

1. CLOCK在人类新皮层中表达上调

• 通过重新分析多个比较转录组数据集，研究者发现：CLOCK在人类新皮层的兴奋性神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞中的表达水平显著高于黑猩猩和猕猴。
• 免疫荧光染色证实，人类后扣带回皮层中CLOCK蛋白在神经元和少突胶质细胞中的荧光强度和阳性细胞比例均显著高于黑猩猩和猕猴。

2. 人源化CLOCK小鼠模型的构建

• 研究者通过细菌人工染色体转基因技术，将包含人类CLOCK基因座（含调控区）的DNA片段插入小鼠基因组，构建了“人源化”CLOCK小鼠（HU）。该模型在时空表达模式上模拟人类CLOCK在新皮层中的高表达。
• 作为对照，同时构建了CLOCK敲除小鼠。

3. HU小鼠表现出增强的认知灵活性

• 行为学测试：在触觉/嗅觉注意定势转移任务中，HU小鼠在逆转学习和额外维度定势转移阶段表现出比野生型更快的学习和更低的错误率，表明认知灵活性增强。在旷场、新物体识别、社会交互、强迫游泳等测试中，HU与野生型无差异。
• 节律行为：HU小鼠的昼夜节律行为（跑轮）与野生型无差异，表明人类CLOCK替代小鼠CLOCK足以维持正常的生物钟功能。

4. 单核RNA测序揭示HU小鼠皮层兴奋性神经元转录组改变

• 对P07（幼年）和P56（成年）HU、WT和KO小鼠的体感皮层进行单核RNA测序。
• 关键发现：在兴奋性神经元（特别是L2/3-4的IT神经元）中，HU vs. WT的差异表达基因（DEGs）富集于“树突发育”和“棘形成”相关通路（如Tenm2, Sorcs2, Mmp15, Ntng1）。这些DEGs与人类特异性开放染色质区域显著重叠，提示人类CLOCK可能通过作用于人类特异性顺式调控元件来驱动这些基因表达。
• 相比之下，KO vs. WT的DEGs则主要富集于“节律过程”和“突触信号”，与CLOCK的经典功能一致。

5. HU小鼠皮层兴奋性神经元结构可塑性增强

• 在成年HU小鼠前额叶皮层L2/3兴奋性神经元中：棘密度增加（特别是大体积棘），棘长度和颈部宽度增加，但胞体面积和树突复杂度无显著变化。
• 在幼年（P18）HU小鼠中：树突复杂度（Sholl分析）和棘密度增加，提示发育期即有差异。
• 电生理记录显示，HU小鼠L2/3兴奋性神经元微小兴奋性突触后电流频率增加，但幅度不变，表明功能性突触数量增加。

6. CLOCK敲除在人类iPSC来源神经元中损害树突发育

• 在人类iPSC中通过CRISPR-Cas9敲除CLOCK，诱导分化为谷氨酸能神经元（第21-35天）。
• 结果：CLOCK KO导致树突总长度和分支数减少，突触前VGLUT2 puncta密度降低。回补TENM2蛋白（CLOCK下游靶点之一）可部分挽救这些表型。
• 这表明，CLOCK在人类神经元中同样具有促进树突和突触发育的功能，且TENM2是其关键下游效应器。

机制模型与进化意义

模型：在人类进化过程中，CLOCK基因可能通过获得新的顺式调控元件，在新皮层兴奋性神经元中实现高表达。人类CLOCK蛋白通过与BMAL1或其他组织特异性转录因子合作，直接调控一系列参与树突生长、棘形成和突触发育的基因（如TENM2, SORCS2），从而增强皮层局部微环路的连接性和计算能力。这种结构上的增强，可能最终体现为行为上的认知灵活性提升。

核心概念突破：

• 功能获得而非丧失：人类CLOCK并非通过“失去”节律功能，而是通过“获得”新的皮层功能来促进认知。HU小鼠节律正常，但皮层功能增强，证明了这一点。
• “兼职”转录因子：CLOCK是一个典型的“兼职蛋白”——在不同细胞类型或物种中，通过不同的相互作用伙伴和靶基因，执行截然不同的功能（节律 vs. 结构可塑性）。
• 人类大脑特殊化的新机制：此前已知的人类特异性基因（如SRGAP2C, ARHGAP11B）多涉及早期发育（神经前体细胞增殖）。本研究首次将转录因子的物种特异性表达与终末神经元的结构可塑性和高级认知功能联系起来。

临床相关性

神经精神疾病：CLOCK基因多态性与精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症等疾病相关。本研究提示，这些关联可能部分源于CLOCK在皮层发育和突触功能中的作用，而非仅通过节律紊乱间接影响。

进化医学：人类独特的认知能力可能伴随着对某些疾病的易感性。CLOCK功能增强是否增加了自闭症或精神分裂症的遗传风险？值得探究。

潜在干预靶点：通过小分子或基因治疗增强CLOCK或其下游靶点（如TENM2）在皮层中的功能，可能改善认知灵活性，但需避免干扰昼夜节律。

研究局限与未来方向

• 局限：人源化模型仅用人类CLOCK编码序列替换小鼠基因座，未引入人类特有的调控元件全长；认知测试仅在小鼠中进行，无法完全模拟人类高级认知；未在人类组织中验证CLOCK对TENM2等的直接转录调控。
• 未来：在人类大脑类器官中敲除或过表达CLOCK，验证其对突触发育的影响；鉴定CLOCK在人类兴奋性神经元中的全基因组结合位点（ChIP-seq），绘制其下游转录网络；研究CLOCK是否与其他人类特异性蛋白（如SRGAP2C）协同作用。

专家点评

BioGuider特邀评论员、进化神经生物学家李想教授评论：“这项研究的巧妙之处在于将进化分析与功能实验紧密结合。它提示我们，一些看似‘管家’功能的转录因子，在进化过程中可能被招募来执行新的、组织特异性的任务。人类CLOCK的案例表明，增强皮层局部连接的计算能力，可能不需要发明全新的基因，而只需重新调配现有工具的表达模式和靶点。这为理解人类智力的分子基础提供了新思路。”

文献来源：
Liu, Y., Fontenot, M.R., Kulkarni, A. et al. Human CLOCK enhances neocortical function. Nat Neurosci 28, 1716–1728 (2025). https://doi.org/10.1038/s41593-025-01993-4