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研究背景
前额叶皮层(PFC)是高级认知功能的关键脑区。人类和非人灵长类动物的大脑,尤其是新皮层和前额叶皮层,在进化过程中经历了显著的扩张和特化。这为更高级的认知功能、情感调节和行为复杂性提供了解剖学基础。
恒河猴(Macaca mulatta)作为人类的近亲,其大脑基因调控模式与人类更为相似。而许多神经系统疾病在啮齿类动物模型中无法很好地复现。因此,恒河猴可以作为研究人类大脑发育的宝贵代理模型。
尽管已有研究描述了恒河猴大脑发育过程中的转录组图谱,但对基因表达调控程序的理解仍然不够完整。表观遗传机制在基因表达调控中发挥着关键作用,包括染色质高级结构、染色质可及性、组蛋白修饰、DNA甲基化等。
因此,本研究旨在绘制恒河猴PFC从胚胎期到衰老期的表观基因组景观,以揭示灵长类大脑发育和衰老的表观遗传调控机制。这对理解人类大脑发育和相关疾病具有重要意义。
研究方法
研究团队收集了7个发育阶段的恒河猴PFC样本:
胚胎第50天(E50)
胚胎第90天(E90)
胚胎第120天(E120)
出生当天(P0)
出生后4个月(P4M)
4.5岁(PY4.5)
20岁(PY20)
这些时间点涵盖了PFC发育的关键事件,包括神经上皮祖细胞扩增、早期和晚期神经发生、胶质细胞发生和衰老。
研究使用了多种组学技术:
Hi-C:分析染色质高级结构
DNase-seq:分析染色质可及性
ChIP-seq:分析组蛋白修饰(H3K4me3、H3K27me3、H3K27ac)和转录因子结合(CTCF、RNA聚合酶II)
RNA-seq:分析基因表达
DNA甲基化测序
总共生成了70个ChIP-seq数据集、14个DNase-seq数据集、14个Hi-C数据集、14个DNA甲基化数据集和14个RNA-seq数据集。
主要研究结果
图1
(1) 绘制了恒河猴PFC发育和衰老过程中的表观基因组景观（图1）
研究团队首先评估了所有基因在PFC发育过程中的表观遗传信号动态。基于基因的活性表观遗传信号,将恒河猴PFC样本分为4个主要簇,代表神经系统发育和衰老的4个不同状态:
神经发生
神经元迁移和分化
胶质细胞增殖和神经网络建立
衰老
研究发现许多基因具有阶段特异性的表观遗传信号,包括染色质高级结构、DNase I高敏感位点、H3K4me3和RNA聚合酶II。这些阶段特异性表观遗传修饰的信号高度一致。此外,大多数具有阶段特异性表观遗传信号的基因也呈现阶段特异性表达。
总共鉴定出11,703个具有阶段特异性表观遗传信号的基因(包括9,338个编码基因和2,365个非编码基因),称为阶段特异性调控基因(SRGs)。
重要的是,这些SRGs的功能与相应阶段PFC的发育事件一致:
E50阶段:细胞周期、Hedgehog/Notch/WNT信号通路、神经干细胞维持
E90阶段:神经元分化和细胞迁移
E120阶段:神经元突起发育、细胞迁移和胶质细胞发生
P0阶段:髓鞘形成、神经元突起和轴突发生调控
P4M阶段:突触组织和神经递质分泌
PY4.5阶段:金属离子结合、神经递质门控离子通道聚集和神经递质再摄取
PY20阶段:补体C3和C4水平、先天性代谢障碍、应激诱导的内源性凋亡信号通路
研究还发现许多基因在不同发育阶段保持稳定的表观遗传信号。这些基因富集于基本生物过程,如代谢过程和信号转导。这与PFC中具有阶段特异性表观遗传信号的基因形成对比,后者倾向于在神经发育中发挥特定功能。
图2
(2) 染色质高级结构的动态变化与PFC发育相关（图2）
研究表明,相邻发育阶段之间,不到16.7%的区室区域发生A/B区室转换。位于发生A到B转换的区室中的基因倾向于被抑制,而位于B到A转换区室中的基因倾向于转录活跃。例如:
GLI3基因是SHH信号通路的重要介导者,可抑制放射状胶质细胞(RGCs)向胶质细胞分化,维持基底放射状胶质细胞(bRG)数量。数据显示GLI3在E90阶段之前位于A区室,之后转换到B区室。
NEUROD6基因对神经元分化和轴突导航很重要,特异性表达于新皮层深层。数据显示NEUROD6在E50和E90阶段位于A区室,但在E120阶段转换到B区室。
这些结果表明,区室转换与PFC中的神经细胞分化相关。
对于拓扑相关结构域(TADs)的分析发现,PFC发育过程中TAD数量在2720到3591之间,约12%的TAD边界是动态的。这与先前研究报道的TADs在不同细胞类型和发育阶段中保守一致。
研究还发现,发育过程中TAD合并或分裂的数量超过TAD移位、复杂重排或强度变化的数量。TAD动态变化与TAD边界信号的变化一致。
(3) 神经发育相关基因的表观遗传调控（图3）
研究发现许多与神经细胞分化和层特化相关的基因通过双价启动子进行预配置。双价启动子同时具有活化(H3K4me3)和抑制(H3K27me3)的组蛋白修饰标记。
研究还鉴定了一个与基底放射状胶质细胞(bRG)发育相关的顺式调控模块和转录因子。这些转录因子包括GLI3、CREB5和SOX9。bRG被认为是灵长类大脑扩张的主要贡献细胞。有趣的是,与bRG相关的顺式元件模块相关的基因,如SRY和SOX9,在性别分化中富集。
此外,研究发现与精神分裂症相关的单核苷酸多态性(SNPs)在超级增强子(SEs)中的富集程度高于典型增强子,表明SEs在神经网络连接中发挥重要作用。
研究还鉴定了DBN1基因的一个顺式调控元件,该元件对神经元细胞增殖和突触神经元分化至关重要。
图4
(4) PFC衰老的表观遗传特征（图4）
研究发现,远端染色质相互作用的丧失和H3K27me3信号的丧失是PFC衰老的标志。这些变化分别与衰老相关基因的异常表达和转座子激活有关。
具体来说:
远端染色质相互作用的丧失可能导致基因调控网络的紊乱
H3K27me3信号的丧失可能引起转座子的激活,进而引起基因组不稳定性
这些发现为理解大脑衰老过程中的表观遗传机制提供了新的见解。
研究意义与展望
本研究绘制了恒河猴PFC从胚胎期到衰老期的全面表观基因组图谱,揭示了表观遗传调控在PFC发育和衰老过程中的重要作用:
(1) 阐明了神经发育关键基因的表观遗传调控机制,如双价启动子对神经元分化和层特化相关基因的预配置。
(2) 鉴定了与基底放射状胶质细胞发育相关的顺式调控模块和转录因子,为理解灵长类大脑扩张提供了新见解。
(3) 发现精神分裂症相关SNPs在超级增强子中的富集,为理解精神疾病的遗传易感性提供了新视角。
(4) 揭示了PFC衰老的表观遗传特征,如远端染色质相互作用和H3K27me3信号的丧失,为研究大脑衰老机制提供了新方向。
(5) 构建了多维度的表观基因组数据资源,有助于解释基因组范围内的疾病相关位点如何调控基因表达。
这些发现不仅有助于我们理解正常的大脑发育过程,还为研究神经发育疾病提供了新的视角。例如,研究发现许多精神分裂症相关的遗传变异富集在超级增强子区域,这为理解该疾病的发病机制提供了新的线索。
未来,研究人员希望能够进一步探索表观遗传调控与特定神经功能之间的关系,以及如何利用这些知识来开发神经发育疾病的早期诊断和干预策略。
最后,让我们为这项精彩的研究点赞!它不仅展示了中国科学家在脑科学领域的卓越贡献,更为我们揭示了大脑这一神奇器官的发育奥秘。相信随着研究的深入,我们离破解人类智慧的密码会越来越近!
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