大脑发育过程极其复杂，而理解大脑皮层的精密发育过程对于研究大脑功能和疾病具有重大意义。近年来分子生物学研究利用单细胞RNA测序，证实在人类大脑皮层的发育过程存在四种主要细胞类型[1]——放射状胶质细胞，中间祖细胞，兴奋性神经元和中间神经元。

位于大脑皮层背侧和腹侧皮质的生发区的放射状胶质细胞通过持续性分裂转化为中间祖细胞，而后分化为大脑皮层中的兴奋性神经元。这些新生的神经元经经放射状迁移到达皮质板发育成熟并形成突触。与此同时，腹侧皮质中的中间神经元自边缘和生发区迁移到背侧皮质。

虽然这些发现揭示了人类大脑皮层发育过程中细胞的多样性和功能特异性，但是我们对该过程中决定细胞谱系的关键基因的表达是如何被调控的，仍然知之甚少。

由顺式作用元件和反式作用因子相互作用介导的转录调控是分子生物学领域的核心课题之一。研究证实，大部分顺式作用元件虽然在线性距离上与它们调控的基因相距甚远，但DNA链可以借由3D折叠的方式使这些元件接近目标基因[2]。顺式作用元件和目标基因启动子的空间相互作用对细胞中基因表达至关重要。值得注意的是，以DNA链折叠的方式调控靶基因表达的行为具有显著的细胞特异性。

虽然之前Nature杂志发表了人类大脑发育过程中皮质板和生发区细胞染色质相互作用图谱[3]，但是由于文章采用脑组织而非分离鉴定的细胞，该图谱只能呈现各类细胞整合后的表观遗传学信息，无法在细胞水平解读大脑皮层发育的基因表达调控。因此探索人类皮层发育过程中细胞谱系特异的3D基因组信息意义重大而充满挑战。

首先，作者利用细胞标记基因的免疫荧光染色结合流式细胞分离技术，开创性的从人类胚胎中期的大脑中有效分离了放射状胶质细胞、中间祖细胞、兴奋性神经元和中间神经元四种细胞。研究团队借助多种先进的基因组学工具绘制了基因组转录信息的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，首次实现了在特异细胞类型中分析脑发育过程相关的基因转录调控行为。

纵观不同细胞类型中顺式作用元件和目标基因启动子的3D相互作用模式，该研究发现细胞中存在一些特别的启动子，它们与远端的顺式作用元件具有更高频率的相互作用，作者将它们命名为“超级互动启动子”（Super Interactive Promoters or SIP）。这些“超级互动启动子”富集了在发育过程中决定细胞命运和功能的基因，表明这些DNA之间的交互作用对细胞谱系分化及状态维持至关重要。

为探索SIP形成的潜在机制，研究团队评估了不同转座因子家族在SIP作用区域的富集情况，发现并证实转座因子在介导“超级互动启动子”的高阶染色质特征形成中起到重要作用，并影响这些启动子调控的基因表达。

全基因组关联分析（Genome-wide association study or GWAS）作为探寻基因与复杂疾病关系最有力的工具，已在全基因组范围内帮助人们发现了数以万计神经系统疾病易感位点。然而，由于这些位点绝大部分位于基因组非编码区，明确它们的靶基因、阐明它们与疾病表型因果关系的研究难度极大。利用大脑发育过程中细胞类型特异的染色质开放区域图谱，作者证实大量神经疾病相关的易感位点在与启动子互作的远端顺式作用元件中富集，且富集呈现显著细胞特异性。进一步利用远端顺式作用元件与启动子之间的3D相互作用信息，研究人员首次在脑特定细胞中揭示了疾病易感位点与其所调控靶基因的关系。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中筛选高致病性序列，明确疾病相关的细胞类型，以进一步研究神经精神疾病的遗传机理。

在这项工作中，研究团队中的杨晓宇博士还开发了一种名为“ CRISPRview”的新方法[4]。该方法结合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作用元件的基因调控功能。CRISPRview在人脑原代细胞混合培养体系上使用CRISPR工具，首次达到以单细胞、单分子分辨率精确地测读DNA序列如何调控基因表达。这个工具对以后精准研究体内细胞中DNA序列的功能有重大意义。

综上，本研究精准测绘并验证脑皮层发育过程中细胞特异性的基因调控行为，为探寻基因组中非编码DNA序列与脑发育、脑疾病的关系提供了新的知识。

值得一提的是，本次研究得到了来自华盛顿大学圣路易斯分校 （University of Washington, Saint Louis）遗传学家王艇和北卡罗来纳大学教堂山分校（UNC-Chapel Hill）遗传学家李蕴团队的鼎力支持。本文由Michael Song, Mark-Phillip Pebworth、杨晓宇博士为共同第一作者。课题横跨包括神经发育学、基因组学、遗传学和统计学多个学科，它的成功得益于与各个团队之间的紧密合作。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2825-4

参考文献

1. Nowakowski TJ, Bhaduri A, Pollen AA, et al. Spatiotemporal gene expression trajectories reveal developmental hierarchies of the human cortex. Science. 2017;358(6368):1318-1323. doi:10.1126/science.aap8809

2. Zheng H, Xie W. The role of 3D genome organization in development and cell differentiation. Nat Rev Mol Cell Biol. 2019;20(9):535-550. doi: 10.1038/s41580-019-0132-4.

3. Won H, de la Torre-Ubieta L, Stein JL, et al. Chromosome conformation elucidates regulatory relationships in developing human brain. Nature. 2016;538(7626):523-527. doi:10.1038/nature19847

4. Yang X, Bergenholtz S, Maliskova L, et al. SMART-Q:  An Integrative Pipeline Quantifying Cell Type-Specific RNA Transcription. PLoS One. 2020;15(4):e0228760. Published 2020 Apr 29. doi:10.1371/journal.pone.0228760