3D多组学为人类大脑发育研究增添深度

一个国际研究小组前所未有地揭示了人类大脑发育过程中基因调控的演变过程，揭示了染色质(DNA和蛋白质)的3D结构如何发挥关键作用。由加州大学洛杉矶分校(UCLA)的ChongyuanLuo博士和加州大学旧金山分校(UCSF)的MercedesParedes博士领导的团队利用单细胞分析和多模态成像技术，绘制了海马体(HPC)和前额叶皮层(PFC)中DNA修饰的第一张图谱，这两个大脑区域对学习、记忆和情绪调节至关重要。这些区域也经常与自闭症和精神分裂症等疾病有关。这项研究为早期大脑发育如何影响终身心理健康提供了新的见解。

加州大学洛杉矶分校EliandEdytheBroad再生医学和干细胞研究中心成员Luo表示：“神经精神疾病，即使是成年后出现的疾病，也常常源于破坏早期大脑发育的遗传因素。我们的图谱提供了一个基线，可以与患病大脑的遗传研究进行比较，并确定分子变化发生的时间和地点。”

研究人员希望，他们通过在线平台向公众提供的数据资源将被证明是一种有价值的工具，科学家可以使用它来将与此类疾病相关的遗传变异与对其影响最敏感的基因、细胞和发育时期联系起来。

Luo、Paredes和索尔克研究所、加州大学圣地亚哥分校和首尔国立大学的合作科学家在《自然》杂志上发表了他们的研究论文，题为“人类大脑发育过程中时间上不同的3D多组学动态”。他们在论文中总结道：“我们的数据为研究大脑发育过程中的基因调控动态提供了多模式资源，并证明单细胞三维多组学是解剖神经精神风险位点的有力方法。”

成年人的大脑包含数百种细胞类型，这些细胞表现出作者所描述的“分子、形态、解剖和功能特征的非凡多样性”。他们继续说道，虽然人类海马体和前额叶皮层在学习和认知中发挥着关键作用，但“它们发育的动态分子特征仍然是个谜。”

为了绘制他们的图谱，研究团队使用了罗在加州大学洛杉矶分校布罗德干细胞研究中心流式细胞术核心的支持下开发和扩展的一种尖端测序方法，称为单核甲基化测序和染色质构象捕获(snm3C-seq)。

该技术使研究人员能够同时分析在单细胞基础上控制基因表达的两种表观遗传机制：DNA的化学变化(称为甲基化)和染色质构象(染色体紧密折叠以适应细胞核的三维结构)。

弄清楚这两个调控元件如何作用于影响发育的基因，是了解该过程中的错误如何导致神经精神疾病的关键一步。然而，正如研究人员指出的那样，到目前为止，“DNA甲基化和染色质构象变化的动态轨迹尚未在产前人类脑组织中以单细胞分辨率进行表征，也没有使用婴儿和成人样本与产后发育进行比较。”

在最新报告中，研究小组分析了53,000多个来自捐赠者从妊娠中期到成年期的脑细胞，揭示了在关键发育窗口期间基因调控的重大变化。通过捕捉如此广泛的发育阶段，研究人员能够绘制出一幅非常全面的图景，描绘出在人类大脑发育的关键时间点发生的大规模基因重组。

“我们发现的绝大多数致病变异位于染色体上的基因之间，因此很难知道它们调节哪些基因，”罗说，他也是加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院的人类遗传学助理教授。“通过研究DNA在单个细胞内的折叠方式，我们可以看到遗传变异与某些基因的连接位置，这可以帮助我们确定最容易受到这些疾病影响的细胞类型和发育时期。”

例如，自闭症谱系障碍通常诊断于两岁以上的儿童。然而，如果研究人员能够更好地了解自闭症的遗传风险及其对发育的影响，他们就有可能制定干预策略，帮助缓解大脑发育过程中的自闭症症状，如沟通障碍。

最活跃的时期之一是怀孕中期。此时，在妊娠前期和中期产生了数十亿个神经元的神经干细胞(称为放射状胶质细胞)停止产生神经元，并开始产生支持和保护神经元的神经胶质细胞。与此同时，新形成的神经元逐渐成熟，获得履行特定功能所需的特性，并形成使它们能够进行交流的突触连接。

研究人员表示，由于这一时期的脑组织有限，之前的研究中忽视了这一发育阶段。他们评论道：“总的来说，我们对妊娠中期HPC的成像分析结果显示了空间上不同的染色质构象特征，标志着从神经祖细胞到成熟神经元的转变，”他们写道。“我们的研究强调了从妊娠中期和晚期到新生儿期从祖细胞到神经元和神经胶质细胞群的动态转变，突出了在围产期发育研究中使用原始脑标本的重要性。”

加州大学旧金山分校神经学副教授帕雷德斯补充道：“我们的研究解决了人类大脑发育过程中DNA组织和基因表达之间的复杂关系，而这些关系通常不被关注：妊娠晚期和婴儿期。通过这项研究，我们在不同细胞类型中发现的联系可以解决当前在识别神经发育和神经精神疾病有意义的遗传风险因素方面面临的挑战。”作者补充道：“围产期发育过程中神经元甲基化组和染色质构象的普遍重塑表明，人类大脑特别容易受到影响这些发育阶段的遗传和环境干扰的影响……这项研究为了解脑部疾病的遗传和表观遗传机制提供了数据资源。”

这一发现还有助于改进基于干细胞的模型，例如用于研究大脑发育和疾病的脑类器官。新图谱为科学家提供了一个基准，以确保这些模型准确复制人类大脑的发育。

“培育出健康的人类大脑是一项了不起的壮举，”论文合著者、索尔克研究所教授、霍华德休斯医学研究所研究员约瑟夫·埃克博士说。“我们的研究建立了一个重要的数据库，可以捕捉大脑发育过程中发生的关键表观遗传变化，从而让我们更接近于了解大脑发育过程中何时何地会出现可能导致自闭症等神经发育障碍的缺陷。”