科學家揭示3D人類腦細胞圖譜，從分子機制鑒定一百八十八種不同細胞類型

人類大腦中究竟有多少種細胞類型？長期以來，科學家積極探索人體的組織、功能或運行機制。但是，想回答這個問題卻并非易事。

與人體其他組織功能已形成足夠的認知不同，大腦神經元多達860億，并因直接與“智能”相關而具有復雜的功能。

雖然科學家一直努力試圖深入研究大腦的內在機制，但在關于大腦的功能認知上仍然知之甚少。

近期，《科學》雜志發布了一項腦細胞種類普查（Brain Cell Census）專題，在《科學》及其子刊《科學進展》《科學轉化醫學》連發21篇論文，通過單細胞測序等技術揭示了截至目前最為全面的人腦細胞圖譜。

世界各地的研究人員研究了人腦的細胞類型的組成和基因調控機制，以及人腦和靈長類、老鼠等其他動物的相似性和差異性，從而形成了整體的新認知。

這一系列成果為更深入地了解人類精神及相關神經疾病形成機制奠定了理論基礎。

“這相當于在分子機制和細胞水平上，對理解人腦的認知有了草稿和框架。有了系列成果的推進，更方便科學家日后在這個草稿和框架下，進行相關知識的細節補充或對整體7ef0b578be486a02269aa3fa662fbae5框架逐步完善。”美國索爾克生物研究所研究員田威表示。

在這21篇論文中，其中一篇發表在《科學》的論文來自田威與其所在的索爾克生物研究所團隊。

他們以DNA的甲基化及染色體三維基因組結構為研究對象，對三名成年男性大腦46個腦區51.7萬細胞深入研究后，鑒定出188種細胞類型。并且，對每種細胞類型給出DNA片段的相關位置，確定它們之間如何相互作用的情況。

他們還發現了不同腦區的區域性差距。人腦是一個非常復雜的系統，即使是同一細胞類型，當細胞處于大腦不同位置時會出現功能完全不同，以及基因調控機制具有微妙差別的可能性。

“通過將某些細胞與相關腦疾病的數據關聯，以及對不同類型腦細胞中，所有可能幫助細胞表達的DNA片段位置的定位，不僅可方便對比了解到細胞可能與某些疾病相關，也可以準確地知道細胞中DNA具體哪個片段和位點與該疾病相關。”田威說。

借助對腦細胞種類的規模化普查數據，不僅極大地提升了腦科學研究的效率，也有利于未來開發精準醫療的特定治療手段，即給藥后只在某個細胞中作用，而在進入其他的細胞后不會被激活。

近日，相關論文以《人類大腦中的單細胞DNA甲基化和3D基因組結構》為題發表。

田威和周景天為論文共同第一作者，約瑟夫·R·埃克爾教授為論文通訊作者。

某個基因為什么這么表達，同一基因為什么在不同的細胞類型中表達不一樣？田威指出，這些因素與表觀遺傳學、甲基化、三維結構等息息相關。

通過提供3D人類腦細胞圖譜數據集，為這些問題提供了答案。該團隊的研究對象為DNA甲基化及三維基因組結構，這對研究細胞調控非常重要。

此外，該團隊發現不同腦部細胞DNA位點的甲基化水平具有差異性，并構建了一種單細胞甲基化條形碼。

與去超市掃商品二維碼操作類似，未來，如果想了解某個細胞類型，通過對有限數目的位點的甲基化水平的測量，即能以低成本途徑預測腦細胞的具體類型。“這對帕金森病、老年癡呆等腦疾病的預篩查和診斷具有重要意義。”田威說道。

在這次研究中，田威主要負責分析數據和對部分實驗細節做決定，這與其科研背景密切相關。他在美國伊利諾伊大學芝加哥分校獲得博士學位，師從梁杰教授，研究方向包括蛋白結構預測，以及計算生物、生物信息、系統生物學等。

目前，他在約瑟夫·R·埃克爾教授課題組進行博士后研究，致力于單細胞測序數據的生物信息學分析，以研究大腦表觀遺傳學的時空動態。

田威表示：“得益于這項整體的研究，目前我們已經積累了一定量的數據，并且已經得到了一些很有影響的結果。”

但是，相比大腦皮層的復雜性，大腦皮下腦區的細胞類型以及其調控更為復雜。“沒有任何兩個人的腦子是一樣的。”他說。

因此下一步，研究團隊計劃在大腦不同發育階段、性別、種族等個體差異下，通過對更多腦區的測試得到更多細致的樣本，進而更本質地理解人腦的復雜性，以期對治療腦疾病提供更多新線索。（綜合整理報道）（策劃／克珂）