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人脑的体积是近亲黑猩猩大脑体积的三倍，它的发育过程也极为复杂。大脑中最大最关键的部分——大脑皮层是信息处理中心，负责诸如记忆、情感、注意力、意识和思想等高级大脑功能。大脑皮层发育过程更是跟包括自闭症 （ASD）、精神分裂症 （SCZ）、注意缺陷多动障碍（ADHD）在内的多种神经精神疾病的风险息息相关。因此，理解大脑皮层的精密发育过程对于研究大脑功能和疾病有重大意义。近期的分子生物学研究利用单细胞RNA测序，揭示了大脑中细胞的多样性和特异性。但是大脑发育过程中的各种细胞的基因调控和命运决定，仍是一个未知领域。
人类大脑皮层的发育过程依赖于四种主要的细胞类型：放射状胶质细胞（RG），中间祖细胞（IPC），兴奋性神经元 （eNs），和中间神经元（iNs）。其中放射状胶质细胞（RG）位于大脑皮层背侧和腹侧皮质的生发区。放射状胶质细胞（RG）通过持续性分裂在转化为为中间祖细胞（IPC）后最终变为大脑皮层中的兴奋性神经元（eNs）。这些新生的神经元经由放射状迁移到达皮质板（CP）成熟并发生突触形成。与此同时，腹侧皮质中的中间神经元（iNs）通过边缘和生发区迁移到背侧皮质。
2020年10月14日，加州大学旧金山分校 (University of California, San Francisco)的遗传学家沈音(Yin Shen)与同校的神经生物学家Arnold Kriegstein和Cleveland Clinic 的统计学家胡明（Ming Hu）合作在Nature杂志上以长文（research article）形式发表了文章“Cell type-specific 3D epigenomes in the developing human cortex”，把细胞类型的标记基因信息和免疫标记和流式细胞分离技术相结合，率先开创了从人类胚胎中期的大脑中有效分离上述四种细胞类型的方法。基于这一首创技术，作者在全基因组水平上研究和分析了细胞特异的基因调控原理。
这一工作使用了最先进的基因组工具来绘制基因组非编码“暗物质”的3D图谱，包括开放的染色质区域，高精度的3D 染色质相互作用，和转录组来阐明大脑中主要细胞类型在非编码区域控制基因表达的顺式调控原件。研究发现，远端顺式作用元件虽然通常在线性距离上与它们控制的基因相距甚远，但借由DNA链以3D折叠的方式接近目标基因。顺式作用元件和目标基因启动子的3D物理作用对细胞中基因表达和功能至关重要。此外，该研究发现细胞中存在一些特别的启动子：他们与远端的顺式作用元件具有更多的连通性。作者给它们命名为“超级互动启动子”（Super Interactive Promoters orSIP）。这些“超级互动启动子”对应基因富集了在发育过程中决定细胞身份和功能的重要的基因， 表明这些DNA之间的交互作用对维持稳定的细胞特异性起关键作用的基因的表达至关重要。为探索SIP形成的潜在机制，圣路易斯华盛顿大学（Washington University, Saint Louis）的遗传学家王艇 （Ting Wang）实验室受邀加盟研究团队，实验评估转座因子（TE），发现转座因子在介导“超级互动启动子”的高阶染色质特征形成中起到重要作用， 并且对启动子调控的基因表达有一定影响。
在过去的15年间，全基因组关联分析（Genome-wide association study orGWAS）定位到数以万计的与神经精神疾病相关的易感区域，它们绝大部分存在于非编码暗物质中。尽管这些易感区域与疾病的关联大抵在独立人群得到过验证，时至今日，它们与疾病的因果关系仍然扑朔迷离。这项研究提供了各种细胞独特的远端顺式作用元件的启动子之间的物理染色质环信息，这些全面而独特的资源可用于揭示与疾病和性状相关的DNA易感区域序列跟其调控的体靶基因的关系。通过进一步跟北卡罗来纳大学教堂山分校（UNC-Chapel Hill）的遗传学家李蕴（Yun Li）团队的合作，该研究还发现许多与启动子互联的远端顺式作用元件中富集疾病相关的基因序列。尤为值得一提的是，不同疾病的遗传力富集于具有细胞类型特异性的功能区域。阐释了大脑中不同种细胞对疾病影响的特异性。这些研究结果将有助于其他研究人员从数以万计的关联区域筛选出致病区域，来进一步研究神经精神疾病的遗传机理。
在本次研究中，沈音实验室的杨晓宇（Xiaoyu Yang,并列一作)博士还开发了一种名为“ CRISPRview”的新技术，这项技术结合CRISPR基因编辑、免疫染色，和单分子荧光原位杂交技术， 可以直接在早期大脑发育的原代细胞中验证顺式调控元件功能。CRIPSRview首次在人脑的单个细胞类型上直接使用CRISPR，达到以单细胞分辨率精确地读出DNA序列如何在原代细胞中控制基因表达。CRISPRview 对以后精准研究体内细胞中DNA序列的功能有重大意义。
值得一提的是，本次研究横跨包括遗传性，神经发育学，基因组学和统计学多个学科。它的成功与各个团队之间的亲密合作不可分割。从大脑中成功分离各种细胞来精准绘制和验证细胞特异性的基因调控也为我们能更好的了解基因组中DNA 序列的功能提供了一个好契机。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2825-4
制版人：Kira