三維基因組分析點亮人類大腦進化之謎

羅鑫，宿兵

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三維基因組分析點亮人類大腦進化之謎

羅鑫，宿兵

中國科學(xué)院昆明動物研究所，遺傳資源與進化國家重點實驗室，昆明 650223

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(rèn)知功能，反映在腦容量的顯著擴增和腦結(jié)構(gòu)的高度精細(xì)化[1]。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(xué)界長期力圖回答的重要科學(xué)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)育模式源于在進化中基因組積累的功能性突變。通過近20年的比較基因組學(xué)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量人類特異的基因組序列變異和調(diào)控元件，典型的如人類快速進化區(qū)域(human accelerated regions, HARs)和人類特異的增強子(human-specific enhancers, HGEs)[2,3]。哺乳動物包括人類的基因組一般長度約2 m，折疊在僅有10 μm大小的細(xì)胞核中?；蚪M在細(xì)胞核的三維空間中層次化有序折疊，其染色質(zhì)高維結(jié)構(gòu)對發(fā)育中細(xì)胞的增殖和有序分化至關(guān)重要[4]。如何將基因組中的序列差異與腦發(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)的問題。

2021年1月27日，中國科學(xué)院昆明動物研究所宿兵研究團隊、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程研究組與中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院張世華研究團隊合作構(gòu)建了非人靈長類動物的高精度三維基因組學(xué)圖譜，并利用大腦三維基因組的跨物種多組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了人類特異的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)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)[5]。

在該研究中，研究人員利用Hi-C技術(shù)構(gòu)建了中國獼猴胎腦神經(jīng)發(fā)育高峰期(E84)的高分辨三維基因組圖譜。同時，還獲得了獼猴胎腦的轉(zhuǎn)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(xué)圖譜數(shù)據(jù)，研究人員首次構(gòu)建了獼猴胎腦發(fā)育過程中的染色質(zhì)精細(xì)空間構(gòu)象，鑒定了包括染色質(zhì)區(qū)室、染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域(topologically associating domains, TAD)以及染色質(zhì)環(huán)(Loop)等不同尺度的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，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(如增強子等)。

通過整合已發(fā)表的公共數(shù)據(jù)，研究人員進行了跨物種(人類、獼猴和小鼠)三維基因組的進化分析，發(fā)現(xiàn)了多個具有人類特異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的基因組位點，包括499個人類特異TADs和1266個人類特異Loops。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，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(xì)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。例如，該研究發(fā)現(xiàn)自閉癥相關(guān)基因在人類大腦胚胎發(fā)育階段受到14個增強子的調(diào)控，并且在演化的過程中產(chǎn)生了8個人類特異的Loops來調(diào)控該基因的表達(dá)?；蛲ㄟ^增強子-增強子的遠(yuǎn)程調(diào)控實現(xiàn)其時空表達(dá)模式的人類特異改變，導(dǎo)致該基因在人類大腦發(fā)育中的高表達(dá)。

該研究進一步通過整合分析已發(fā)表的人腦胎腦激光顯微切割分層以及單細(xì)胞表達(dá)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)層的興奮性投射神經(jīng)元中顯著表達(dá)，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)了顯著的擴張，其厚度可以達(dá)到皮層厚度的4倍左右(圖1A)[6,7]。但由于在胎兒出生以后，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(jié)果首次為SP層在人類特異腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育和形成中的重要作用提供了證據(jù)。例如，該研究發(fā)現(xiàn)SP層特異表達(dá)的基因受到一個人類特異Loop的調(diào)控(圖1B)。通過CRISPR-Cas9方法敲除Loop一端的增強子，發(fā)現(xiàn)的表達(dá)量明顯下降，神經(jīng)元的樹突發(fā)育受到影響。這些結(jié)果暗示在人類大腦胚胎發(fā)育階段基因受到人類特異的Loop調(diào)控，改變了人類早期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育進程。

同時，該研究也在基因組序列水平解析了人類特異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變異的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)人類特異的Loop錨定區(qū)顯著富集人類特異的核苷酸位點變異和HARs。一些人類特異的基因組結(jié)構(gòu)變異(structure variations, SVs)可能介導(dǎo)人類特異Loop和TAD的形成?？傮w來說，該研究通過三維基因組層面系統(tǒng)的跨物種進化分析為闡明人類大腦特異表型的遺傳機制提供了全新的線索，這是自1974年發(fā)現(xiàn)SP神經(jīng)元以來，第一次從遺傳學(xué)層面證實SP神經(jīng)元基因表達(dá)調(diào)控的變化在人類大腦功能演化中的重要作用[8]。同時，該研究中產(chǎn)生的獼猴神經(jīng)發(fā)育高峰期的表觀多組學(xué)數(shù)據(jù)為后續(xù)獼猴功能基因組的注釋以及人類腦疾病的研究提供了極具價值的多組學(xué)數(shù)據(jù)。

圖1 人類特異Loop調(diào)控人類胎腦SP層神經(jīng)元發(fā)育

A：胚胎發(fā)育中期的人類大腦根據(jù)細(xì)胞增殖、遷移和分化狀態(tài)可以分為6個層。其中SP層厚度在人類進化過程中發(fā)生顯著擴張。B：人類特異Loop調(diào)控基因表達(dá)的例子：調(diào)控EPHA7基因的人類特異Loop的形成。EPHA7在SP層顯著表達(dá)，調(diào)控神經(jīng)元樹突的發(fā)育。

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2021-01-28

中國科學(xué)院B類先導(dǎo)項目(編號：XDB1301000)，國家自然科學(xué)基金委項目(編號：U2002207, 31730088, 31621062, 91631306, 32000406, 31871266, 71532001, 11661141019, 61621003)，科技部重點研發(fā)項目(編號：2016YFA0100103) [Supported by the Strategic Priority Research Program (No. XDB13010000), the National Natural Science Foundation of China (Nos. U2002207, 31730088, 31621062, 91631306, 32000406, 31871266, 71532001, 11661141019, 61621003), and the National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFA0100103)

羅鑫，博士，副研究員，研究方向：人類大腦進化的遺傳學(xué)機制。E-mail: luoxin@mail.kiz.ac.cn

宿兵，博士，研究員，研究方向：人類起源與進化的遺傳學(xué)機制。E-mail: sub@mail.kiz.ac.cn

10.16288/j.yczz.20-031

2021/2/3 11:21:52

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210202.1457.005.html