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知功能，反映在腦容量的顯著擴增和腦結構的高度精細化[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界長期力圖回答的重要科學問題。所有器官包括大腦的形成都是通過發育過程來實現的，人類獨特的腦發育模式源于在進化中基因組積累的功能性突變。通過近20年的比較基因組學研究已經發現大量人類特異的基因組序列變異和調控元件，典型的如人類快速進化區域(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大小的細胞核中。基因組在細胞核的三維空間中層次化有序折疊，其染色質高維結構對發育中細胞的增殖和有序分化至關重要[4]。如何將基因組中的序列差異與腦發育的調控改變之間建立因果聯系，并解析其中的分子調控機制，是頗具挑戰的問題。

2021年1月27日，中國科學院昆明動物研究所宿兵研究團隊、北京大學生命科學學院李程研究組與中國科學院數學與系統科學研究院張世華研究團隊合作構建了非人靈長類動物的高精度三維基因組學圖譜，并利用大腦三維基因組的跨物種多組學分析，發現了人類特異的染色質結構和腦發育調控元件，為闡明人類大腦發育的進化機制提供了新思路和證據[5]。

在該研究中，研究人員利用Hi-C技術構建了中國獼猴胎腦神經發育高峰期(E84)的高分辨三維基因組圖譜。同時，還獲得了獼猴胎腦的轉錄組圖譜、染色質開放區圖譜以及染色質錨定蛋白CTCF的分布圖譜。綜合這些獼猴胎腦的多組學圖譜數據，研究人員首次構建了獼猴胎腦發育過程中的染色質精細空間構象，鑒定了包括染色質區室、染色質拓撲結構域(topologically associating domains, TAD)以及染色質環(Loop)等不同尺度的染色質結構，以及基因組在大腦發育中發揮重要作用的調控元件(如增強子等)。

通過整合已發表的公共數據，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，發現了多個具有人類特異染色質結構的基因組位點，包括499個人類特異TADs和1266個人類特異Loops。進一步的分析發現，這些人類特異Loops顯著富集增強子–增強子互作的調控模式，提示大腦發育在人類祖先中進化出更為精細的轉錄調控網絡。例如，該研究發現自閉癥相關基因在人類大腦胚胎發育階段受到14個增強子的調控，并且在演化的過程中產生了8個人類特異的Loops來調控該基因的表達。基因通過增強子-增強子的遠程調控實現其時空表達模式的人類特異改變，導致該基因在人類大腦發育中的高表達。

該研究進一步通過整合分析已發表的人腦胎腦激光顯微切割分層以及單細胞表達譜數據，發現這些人類特異Loops調控的基因在胎腦的SP(subplate)層的興奮性投射神經元中顯著表達，由此推測人類特異Loops對SP層的人類特異發育模式可能發揮重要作用。胎腦SP層是腦發育早期神經環路及神經可塑性形成的重要腦層，在人類進化過程中SP層出現了顯著的擴張，其厚度可以達到皮層厚度的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。該研究結果首次為SP層在人類特異腦結構的發育和形成中的重要作用提供了證據。例如，該研究發現SP層特異表達的基因受到一個人類特異Loop的調控(圖1B)。通過CRISPR-Cas9方法敲除Loop一端的增強子，發現的表達量明顯下降，神經元的樹突發育受到影響。這些結果暗示在人類大腦胚胎發育階段基因受到人類特異的Loop調控，改變了人類早期神經網絡的發育進程。

同時，該研究也在基因組序列水平解析了人類特異染色質結構變異的遺傳學基礎，發現人類特異的Loop錨定區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構變異(structure variations, SVs)可能介導人類特異Loop和TAD的形成。總體來說，該研究通過三維基因組層面系統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年發現SP神經元以來，第一次從遺傳學層面證實SP神經元基因表達調控的變化在人類大腦功能演化中的重要作用[8]。同時，該研究中產生的獼猴神經發育高峰期的表觀多組學數據為后續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數據。

圖1 人類特異Loop調控人類胎腦SP層神經元發育

A：胚胎發育中期的人類大腦根據細胞增殖、遷移和分化狀態可以分為6個層。其中SP層厚度在人類進化過程中發生顯著擴張。B：人類特異Loop調控基因表達的例子：調控EPHA7基因的人類特異Loop的形成。EPHA7在SP層顯著表達，調控神經元樹突的發育。

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2021-01-28

中國科學院B類先導項目(編號：XDB1301000)，國家自然科學基金委項目(編號：U2002207, 31730088, 31621062, 91631306, 32000406, 31871266, 71532001, 11661141019, 61621003)，科技部重點研發項目(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