2021年1月27日，中國科學院昆明動物研究所宿兵研究員、北京大學生命科學學院李程研究員與中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院張世華研究員合作，以“3D Genome of macaque fetal brain reveals evolutionary innovations during primate corticogenesis”為題，在國際頂尖學術期刊《細胞》在線發(fā)表最新研究成果。該研究構建了靈長類迄今最高分辨率的大腦三維（3D）基因組圖譜，通過跨物種多組學分析和實驗驗證，揭示了三維基因組參與人類大腦發(fā)育的進化機制。

研究課題意象圖。圖中正在冥想的猴子表征靈長類大腦和智力的進化

人類大腦起源于漫長的生命進化過程，其最顯著的改變是大腦的認知功能，反映在腦容量的顯著擴大和腦結構的高度精細化。在人類進化過程中，哪些遺傳改變造就了人類大腦是國際科學界長期力圖解決的重要科學問題。所有器官，包括大腦的形成都是通過發(fā)育過程來實現(xiàn)的。人類獨特的腦發(fā)育模式源于進化過程中基因組不斷積累的功能性突變。然而，由于物種間存在數(shù)以百萬計的序列差異，而其中只有少數(shù)的關鍵差異才具有重要的功能效應，如何將基因組中的關鍵序列差異與腦發(fā)育的調(diào)控改變之間建立因果聯(lián)系并解析其中的分子調(diào)控機制是頗具挑戰(zhàn)的課題。靈長類動物作為生物學和醫(yī)學研究模型已有近百年歷史。獼猴與人類具有較近的親緣關系，在人類大腦的起源、發(fā)育機制和腦疾病的研究中，獼猴是最理想的動物模型。

哺乳動物包括人類的基因組通常長約兩米，并折疊在僅有10微米的細胞核中?；蚪M在細胞核的三維空間中是有序折疊的。這樣的有序折疊對發(fā)育過程中細胞的增殖和有序分化是至關重要的。全基因組染色質(zhì)空間構象捕獲（簡稱Hi-C）等最新高通量組學技術的開發(fā)為精細解析大腦發(fā)育過程中基因組的三維組織方式和分子調(diào)控機制提供了強大的工具。在該研究中，研究人員通過學科交叉合作開展了跨物種腦發(fā)育3D基因組的研究。他們利用Hi-C技術構建了中國獼猴胎腦神經(jīng)發(fā)育高峰期的高分辨3D基因組圖譜。這是目前包括人類在內(nèi)的靈長類大腦分辨率最高的3D基因組圖譜，達到了1.5kb分辨率，可以高精度地解析腦發(fā)育中基因組的空間組織方式，同時解析了獼猴胎腦的轉錄組圖譜、染色質(zhì)開放區(qū)圖譜以及染色質(zhì)錨定蛋白CTCF的分布圖譜。綜合這些獼猴胎腦的多組學圖譜數(shù)據(jù)，研究人員首次構建了獼猴胎腦發(fā)育的染色質(zhì)精細空間構象，鑒定了包括染色質(zhì)區(qū)室、染色質(zhì)拓撲結構域（簡稱TAD）以及染色質(zhì)環(huán)（簡稱Loop）等不同尺度的染色質(zhì)構象，以及基因組在大腦發(fā)育中發(fā)揮重要作用的調(diào)控元件（如增強子、啟動子等）。

研究項目設計與研究結果圖解（摘自《細胞》發(fā)表論文）

通過與已發(fā)表的公共數(shù)據(jù)整合，研究人員進行了跨物種3D基因組的比較（人類、獼猴和小鼠），該研究發(fā)現(xiàn)了數(shù)量眾多的人類特異染色質(zhì)結構，包括499個人類特異TADs和1266個人類特異Loops。這些人類特異Loops顯著富集增強子-增強子互作的調(diào)控模式，提示大腦發(fā)育在人類祖先中進化出更為精細的轉錄調(diào)控網(wǎng)絡。重要的是，通過整合分析人腦發(fā)育的單細胞表達譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些人類特異Loops調(diào)控的基因在胎腦的SP（subplate）層顯著表達，由此推測人類特異Loops對SP層的人類特異發(fā)育模式可能發(fā)揮重要作用。胎腦SP層是腦發(fā)育早期神經(jīng)環(huán)路及神經(jīng)可塑性形成的重要腦層，在人類進化過程中SP層出現(xiàn)顯著擴張，其厚度可以達到皮層厚度的四倍左右。但在胎兒出生以后，該腦層逐漸消失，人們對其形成機制和功能了解較少。該研究結果首次為SP層在人類特異腦結構的發(fā)育和形成中的重要作用提供了證據(jù)。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，基因組中很多人類特異突變（包括點突變和結構變異等）位于TAD邊界區(qū)和Loop錨定區(qū)，可能導致在人類大腦發(fā)育中產(chǎn)生新的轉錄因子結合位點，并形成人類特異的染色質(zhì)高級結構。例如，SP層特異表達的EPHA7基因是大腦發(fā)育中神經(jīng)細胞分化的關鍵基因之一，該基因的上游存在多個人類特異序列突變，可能導致人類特異增強子的出現(xiàn)和人類特異Loop的形成。通過增強子敲除實驗，研究人員證實了EPHA7的人類特異調(diào)控網(wǎng)絡，干擾其功能會影響神經(jīng)細胞分化的進程。

這一研究成果首次產(chǎn)生了非人靈長類動物的高精度三維基因組學圖譜資源，并利用大腦三維基因組的跨物種多組學分析，發(fā)現(xiàn)了人類特異的染色質(zhì)結構和腦發(fā)育調(diào)控元件，為闡明人類大腦發(fā)育的進化機制提供了新思路和證據(jù)。中科院昆明動物所羅鑫副研究員和北京大學博士研究生劉玉婷和數(shù)學科學學院博士研究生黨大昌為論文的共同第一作者，宿兵、李程和張世華為論文的共同通訊作者。北京大學孫育杰教授對成像實驗提供了寶貴建議。該研究得到中國科學院、國家自然科學基金委、科技部和云南省相關基金項目的資助。

來源：北京大學