解析基因組如何編碼腦的挑戰

謝維，林承棋，李健，李默怡,2

解析基因組如何編碼腦的挑戰

謝維1,2,3，林承棋1，李健1，李默怡1,2

1. 東南大學生命科學與技術學院，發育與疾病相關基因教育部重點實驗室，南京 200096 2. 東南大學醫學院遺傳與發育生物學系，南京 210009 3. 東南大學腦科學與智能技術研究院/SEU-ALLEN聯合中心，南京 200096

人腦是自然界生物體內結構和功能最復雜的器官。解析人類基因組如何編碼人腦的結構與功能是極具挑戰的科學與技術問題，也是從根本上認識腦的本質問題。本文對近年來腦的“斷面”組學研究的相關進展進行歸納，提出解析基因組如何編碼腦的挑戰與展望。

腦；發育；基因組；編碼；自閉癥

人腦無疑是自然界生物體內結構和功能最復雜的器官，由1012個神經元通過超過1015個突觸聯結所形成的神經網絡。這樣的復雜網絡是人腦接受外界信號，產生感覺、形成意識，進行邏輯思維，產生行為的結構基礎。過去人們對人和不同模式動物的腦的結構與功能進行了很多研究，包括腦解剖結構、神經生理與病理、神經細胞的分化遷移與環路，腦高級功能等方面；也從早期胚胎發育到神經前體細胞增殖、分化、神經元遷移，軸樹突投射，突觸的形成與修剪，神經環路的建立，神經網絡形成和活性依賴的(內、外環境因子參與)重塑等進行了很多研究，鑒定出很多參與調控腦發育過程的基因；在對以社交障礙、狹隘興趣和刻板行為等腦高級功能缺陷為特征的自閉癥的研究中，發現了1000余個基因、2000余拷貝數變異(copy number variation, CNV)的遺傳位點與自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorder, ASD)相關[1]，顯示遺傳因素在腦發育的不同階段編碼腦網絡構建并整合體內、外環境因素進而“編碼”腦高級功能。然而，從全基因組的視角，解析基因組如何編碼腦，同時綜合運用數學、物理學的理論與方法解析腦高級功能的編碼原理，闡明人類“生命藍圖”如何編碼人類“智力藍圖”, 將會從根本上認識腦和生命原理的本質[2]。

1 腦結構與功能由基因組編碼的“斷面”組學研究證據

高通量的技術已應用于腦科學研究，產生了大量的全基因組范圍的基因表達數據。盡管這些數據僅代表發育過程中特定時間或空間的“斷面”基因表達情況，但是研究者依然從中發現了一些規律。(1)利用基因組學分析技術，對大腦前額葉皮層樣品的基因表達分析發現了在不同的生命時期，基因行為有很大變化，其中胎兒期的大腦基因活動幅度巨大，在出生后許多高表達的基因就突然下降，到老年期有些基因的活動又激增[3,4]。(2)使用基因芯片技術分析精確切割的大腦腦片的轉錄數據，并與對應大腦的核磁共振成像掃描結果進行疊加，構建出人腦三維基因表達圖譜，呈現腦組織不同區域的基因表達的細節信息、大腦不同部位基因表達與大腦功能、疾病和進化方面的聯系[5]。這些研究為理解大腦組織中的全部基因如何表達和在何處表達提供了關鍵的數據。(3)對約1000個與神經功能相關的重要基因的表達分析，顯示人類個體間腦組織基因表達具有高度的相似性(95%)[6]，表明腦細胞和分子組成Pattern的相對穩定性，多數基因決定腦結構的相似性；人腦類器官可在體外發育到一定階段也支持這一現象[7]；而與小鼠比較，有近80%基因表達譜相似，

顯示基因組編碼了一定程度保守的腦結構。(4)基于解剖結構功能區，綜合運用原位雜交、超高分辨核磁共振和基因芯片等技術對不同發育期人腦基因表達圖譜分析[8]、小鼠腦神經元介觀連接組圖譜分析[9]和單個神經元的形態描述[10,11]，對于研究人類大腦發育和神經回路，從而理解人類的行為和認知過程的生物學特征提供了極其重要的數據。(5)運用單細胞RNA測序技術，對人類大腦細胞的多樣性進行分類，進而構建人類大腦細胞圖譜。結合三維轉錄分析技術對空間分布的神經細胞，經分子分型的細胞類型進行定位，并檢測形態、活性或連接特征[5,12]。(6)通過嚙齒類動物、非人靈長類等動物模型以及類腦器官方法構建人腦疾病模型，對人腦疾病的病理學特征以及基因異常如何導致人腦相關疾病的認識，加深理解基因如何編碼腦。(7)隨著蛋白質組學的技術發展，結合轉錄組學分析，有關大腦的蛋白質表達的數據也在大量增加[13]，顯示腦相關的蛋白質既包括持家基因蛋白質，也包括了中樞神經系統存在的一些特殊蛋白質。這些腦細胞中差異蛋白質信息是解析人類“智力藍圖”的重要工具。

2 解析基因組如何編碼腦的挑戰與展望

基于組學手段，科學家對腦細胞、腦區或發育的特定時段腦組織基因表達分析取得了重要進展，獲得的大量有價值的信息。然而，上述的代表性進展還是對于特定的時間與空間的斷面分析，回答“基因組如何編碼腦”還存在巨大的距離與困難。(1)由于人腦是超級復雜的多類型細胞構成的組織，從胚胎發育的早期到成年腦成熟，時空跨度所累積的信息量之大，目前手段尚無法獲取和系統分析；(2)人類基因組計劃完成了大部分的DNA序列分析，依然有大量功能未知的冗余序列、重復序列，以及近年來發現在腦組織中特異活躍的轉座子等遺傳因子(可能是腦細胞形成多樣性的因素之一)；(3)人類基因組群體多態性的描述、人腦特有蛋白質以及各類調控因子的信息注釋，仍不完善，阻礙了對基因編碼腦的機制的理解；(4)相對于其他組織，腦結構的發育與腦功能的建立，與環境因素更為密切，基因組如何與環境因素協同作用編碼腦，也是巨大挑戰。因此，如何在單個神經細胞水平實時追蹤并整合多組學數據，包括轉錄組、表觀組、蛋白質組以及介觀連接組圖譜數據，將極大推動“智力藍圖”的解析。

2002年諾貝爾獎得主Sydney Brenner等應用模式生物線蟲對細胞譜系與命運的研究，發現了器官發育的遺傳調控和細胞程序化死亡，其研究思想對解析腦如何由基因組編碼有重要的借鑒價值。隨著單細胞標記技術、單細胞RNA測序技術和數據分析技術的結合，重建了扁形蟲、魚、青蛙等器官形成的遺傳編碼[14,15]；國際上已有應用這些組合技術研究人類細胞在一生中如何成熟，組織如何再生，以及細胞在疾病中如何變化的遺傳規律，可為解析基因組編碼人類器官奠定基礎。線蟲神經細胞數量少，無論在結構組織或功能回路方面都相對簡單[16]，可用于系統性地闡明神經細胞譜系產生的基因組編碼規律及其對神經刺激反應的動力學規律；與此同時，應選擇合適的模式生物，結合人類腦發育疾病(如自閉癥等)，對最終闡明基因組編碼腦功能原理有重要意義。

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Decoding brain encoded by genome

Wei Xie1,2,3, Chengqi Lin1, Jian Li1, Moyi Li1,2

Human brain is the most complicated living organ in nature. How the human genome encodes the structure and function of brain is a fundamental question to understand the essence of mind. Currently, it is still an unsolved scientific problem requiring the further breakthrough of comprehensive technologies. Here, we summarize the recent advances in brain development/function OMICS studies, and discuss the huge challenges and prospects in understanding how brain is encoded by genome.

brain; development; genome; encode; autism

2021-01-18;

2021-03-18

國家自然科學基金項目(編號: 91632201，31430035)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 91632201, 31430035)

謝維，博士，教授，研究方向：發育的遺傳調控。Email: wei.xie@seu.edu.cn

10.16288/j.yczz.21-019

2021/4/14 8:48:44

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210413.1512.002.html

(責任編委: 王曉群)