撰文 | 咸姐
责编 | 兮
十多年来，大规模的DNA测序工作产生了大量的基因组、转录组和表观基因组信息，为人类基因组内的功能元件和交互作用提供了越来越详细的视角。DNA的复制、转录和修复等过程不再是简单的一维事件，而是受到严格的时空控制。新的技术的发展已使得我们能够探测染色体的三维结构，并评估基因组拓扑结构对这些生物过程的调节作用。例如，转录调控的研究，最初侧重于在一维空间中识别调控元件，后来逐渐整合了诸如核定位、远程相互作用和整个染色体组织等的三维参数在其中的贡献。这种模式上的转变对于理解某种DNA改变的影响很重要。同样的，随着多维参数信息的剧增和发展，人们意识到哺乳动物基因组中这两个密切相关的维度——基因转录和三维（3D）基因组结构——对神经系统的发育也至关重要【1,2】。
细胞类型特异性基因表达、染色质结构、感觉体验和其他因素（如表观遗传标记）之间的动态相互作用是我们的大脑拥有巨大可塑性和强大功能的基础。转录和染色质结构的失调可导致神经发育障碍，如自闭症和精神分裂症。基因组拓扑结构也决定了体细胞DNA损伤和人类神经元突变的分布【3】。
近年来，人们对大脑转录组和3D基因组的研究取得了一些进展，但现有的研究仍存在三个主要局限性。首先，大脑单细胞的3D基因组结构尚未被解析。大多数染色质构象捕获（3C/Hi-C）分析只能测量3D基因组的整体平均图谱，并且将不同类型的神经元（或胶质细胞）聚集在一起，掩盖了细胞类型的特异性特征。迄今为止，大多数的Hi-C只显示了在体外分化或在某个单一时间点从胚胎小鼠大脑中分离出来的神经元的3D基因组重折叠。虽然单细胞3C/Hi-C已在成年大脑中实现，但其分辨率低，无法获得3D结构，且仅凭结构信息无法区分不同的神经元亚型。其次，在哺乳动物大脑中，单细胞转录组的出生后动态尚未得到全面的研究，少数的一些研究也局限于某些时间点，且使用方法灵敏度低，测定的转录本很少。第三，现有的方法均不能结合其他组学数据库对单细胞3D基因组数据进行深入、综合的分析，既不能解决大脑不同转录细胞类型与其潜在的3D基因组结构类型之间的真正关系，也不能追踪它们在体内发育过程中的相互作用。
为了填补这一长期存在的技术知识空白，2021年1月22日，北京大学谢晓亮团队在Cell上在线发表题为“Changes in genome architecture and transcriptional dynamics progress independently of sensory experience during post-natal brain development”的文章，利用高分辨率多重退火和基于环的数字转录组扩增循环（MALBAC-DT）以及二倍体染色质构象捕获（Dip-C）方法，获得了发育中的小鼠脑皮层和海马体的转录组及3D基因组图谱，并开发了多组学分析通道，由此发现了在大脑发育过程中转录组和3D基因组的先天性决定特征，即其均可在出生后第一个月就发生广泛的转化，而与感官经验无关，从而为神经发育的未知打开了一扇新大门。
研究人员对来自7个不同年龄的小鼠（出生后1天、7天、14天、28天、56天和180天）的大脑皮层和海马的3,517个单细胞进行了MALBAC-DT（一种单细胞转录组扩增技术，有利于进行高灵敏性和准确性的单细胞转录组测序）（图1）。利用统一流形逼近与投影（UMAP）对转录组多样性进行可视化，这些细胞可被清晰地分为4个主要的细胞类型——神经元、星形胶质细胞、少树突胶质细胞和其他。在每个类型中，细胞主要按年龄被分开，出生后7天和14天最明显，由此提示在出生后发生了重要的转录组转化。
不同功能亚型的神经元会进行不同的“计算”，不同大脑区域以及不同发育阶段的神经元也会表现出不同的特性。为了进一步探索这种多样性的转录组学基础，研究人员分别对2,277个神经元进行了分析。UMAP聚类分析显示，神经元由复杂的转录组类型组成，具有不同的年龄、区域和功能特异性，同时，对于大多数细胞亚型而言，通常可以看到明显的年龄差异。进一步地，研究人员使用主成分分析（PCA）对细胞间异质性的不同来源进行分析，发现了两类发育调控的基因模块，这两个发育模块中的基因都执行着至关重要的神经元功能，代表了神经元中两种不同的转录组转化模式，其中新生儿特征基因在出生后第1天和第7天时高表达，在第14天时急剧下降，从第21天开始保持低表达；而成人特征基因随着时间的推移稳步增加，直到出生后第56天左右趋于稳定。
要了解转录转化的结构基础，就要从3D基因组结构着手。因此，为了建立发育中的小鼠前脑的三维基因组图谱，研究人员在出生后一年内的小鼠的6个不同年龄段（出生后第1天、7天、28天、56天、309天和347天）对来自皮层和海马的1,954个单细胞进行了改进的Dip-C实验（图1）。分级聚类识别出13种结构类型，分别为8种神经元类型、2种星形胶质细胞类型、2种少突胶质细胞类型和1种其他类型。随后，研究人员开发了一个新方法以整合来自单细胞转录组数据的细胞类型特异性基因表达和来自单细胞3D基因组数据的差异结构区域，这13个结构类型与相应的转录组类型高度相关。进一步地对时间动力学进行研究，研究人员发现，在出生后第7天和第28天之间，神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的结构类型组成急剧变化，与转录组转化相一致。在胶质细胞中，这就导致了从新生到成年的星形胶质细胞以及从少突胶质细胞祖细胞到成熟少突胶质细胞的变化。
图1 研究流程
那么这种转化的机制到底是怎样的呢？研究发现，新生和成年神经元之间最显著的差异是沿基因组的核周或核内部的径向定位偏好，神经元经历了大规模的特异性径向重构，而这很可能与非CpG DNA甲基化有关，并且与周围神经系统的3D重构有着惊人的相似性。此外，研究人员还观察到发育和与疾病有关的基因及其增强子的局部和远程3D重构。尽管许多基因在表达和3D结构上表现出不一致或暂时性改变，但是单细胞染色质A/B区(scA/B)的变化与发育调控基因模块相关。考虑到出生后第7天和第28天之间是大脑具有高度可塑性并受感官输入影响的关键时期（例如，眼睛在第12天左右睁开），那么此时发生的3D转化是否依赖于感觉经验呢？还是由遗传决定呢？因此，研究人员对出生后第一个月进行了视觉剥夺（黑暗饲养）的小鼠和对照小鼠视觉皮层的1,692个单细胞进行了Dip-C研究，结果显示尽管消除了视觉输入，3D基因组转化在所有3种类型细胞中都正常进行，由此表明3D基因组转化是遗传决定的，不受早期生活经历的影响，并且在出生后的第一个月持续进行。最后，考虑到等位基因特异性基因表达在大脑和整个发育过程中的至关重要的作用，研究人员对全基因组、等位基因特异性印迹基因进行了分析研究，在29个已知的印迹位点中至少发现了7个亲本特异性结构，揭示了局部和染色体范围的差异。
图2
细胞是大脑的组成部分，根据分子生物学中心法则，细胞的功能是由它自己的“大脑”——在细胞核中折叠的2米基因组DNA和它转录的RNA分子——控制的。本研究的3D基因组和转录组图谱通过揭示每个大脑高度特化细胞类型背后的3D基因组结构类型，追踪它们的发育起源，并探索它们与基因表达和早期生活经验的关系（图2），解决了长久以来哺乳动物基因组“结构—功能”相互关系之间的重大问题，为发育相关疾病的治疗提供了巨大的机会。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.032
制版人：嘉
参考文献
1. J-F Ouimette, C Rougeulle, R A Veitia. Three-dimensional genome architecture in health and disease.Clin Genet. 2019 Feb;95(2):189-198.
2. Amanda C Mitchell, Rahul Bharadwaj, Catheryne Whittle et al. The genome in three dimensions: a new frontier in human brain research.Biol Psychiatry. 2014 Jun 15;75(12):961-9.
3. Zhu, Q., Niu, Y., Gundry, M. et al. Topologically Dependent Abundance of Spontaneous DNA Damage in Single Human Cells. 2019,bioRxiv. https://doi.org/10.1101/859686.