發(fā)表期刊和時(shí)間：Science，13 October 2023
Lab：Bing Ren， 實(shí)驗(yàn)室正在研究正常和癌癥細(xì)胞的基因調(diào)節(jié)機(jī)制，與路德維希研究所和加州大學(xué)合作密切。
摘要：探索了三名成年人42個(gè)大腦區(qū)域110萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的開(kāi)放染色質(zhì)景觀。整合這些數(shù)據(jù)揭示了107種不同的細(xì)胞類(lèi)型及其對(duì)人類(lèi)基因組中544735個(gè)候選順式調(diào)控DNA元件（cCRE）的特異性利用。近三分之一的cCRE在小鼠腦細(xì)胞中表現(xiàn)出保守性和染色質(zhì)可及性。揭示了特定腦細(xì)胞類(lèi)型與神經(jīng)精神疾病之間的密切聯(lián)系，包括精神分裂癥、雙相情感障礙、阿爾茨海默?。ˋD）和嚴(yán)重抑郁癥，并開(kāi)發(fā)了深度學(xué)習(xí)模型來(lái)預(yù)測(cè)非編碼風(fēng)險(xiǎn)變體在這些疾病中的調(diào)節(jié)作用。將染色質(zhì)圖譜與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和DNA甲基組圖譜結(jié)合起來(lái)，將cCREs與假定的靶基因聯(lián)系起來(lái)。進(jìn)一步預(yù)測(cè)了19種神經(jīng)精神疾病的疾病相關(guān)細(xì)胞類(lèi)型。
【人腦的單細(xì)胞CA圖譜】
首先，使用ATAC數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)，分出了三大類(lèi)，分別是：谷氨酸能神經(jīng)元、GABA神經(jīng)元、非神經(jīng)元類(lèi)群。每個(gè)亞類(lèi)基于已知腦細(xì)胞類(lèi)型的至少三個(gè)marker來(lái)進(jìn)行注釋?zhuān)瑢?duì)于每個(gè)亞類(lèi)，還進(jìn)行了第三輪聚類(lèi)，并確定了107種不同細(xì)胞類(lèi)型。
chromatin accessibility（CA）
從三名年齡分別為29歲、42歲和58歲的男性腦(DI、D2和D4)中解剖了42個(gè)腦區(qū)，分別來(lái)自人類(lèi)皮層(CTX)、海馬(HIP)、基底核(BN)、中腦(MB)、丘腦(THM)、小腦(CB)和腦橋(PN)(圖1A和表S1)。質(zhì)控后總共保留了1,134,360個(gè)核。其中，CTX 595,713例，HIP 72,190例，BN 317,480例，MB 23,114例，THM 50,768例，CB 51,775例，PN 25,459例(表S3)。平均每個(gè)細(xì)胞核中檢測(cè)到4970個(gè)染色質(zhì)片段(表S3;圖S1, K ~ M;材料和方法)。
用snATAC-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)，并將其分為三大類(lèi)，第一類(lèi)富集谷氨酸能（vGlut+，假定興奮性）神經(jīng)元（11.8%），第二類(lèi)富集GABA能（GABA+，假定抑制性）神經(jīng)元，第三類(lèi)富集非神經(jīng)元細(xì)胞（81.4%）（圖1，B，D和F；圖S2；圖S3，A和B）。迭代聚類(lèi)進(jìn)一步將三大類(lèi)劃分為14個(gè)vGlut+神經(jīng)元亞類(lèi)、2個(gè)顆粒細(xì)胞類(lèi)型亞類(lèi)、1個(gè)膽堿能神經(jīng)元亞類(lèi)，4個(gè)多巴胺能神經(jīng)元亞類(lèi)別、2個(gè)丘腦和MB衍生神經(jīng)元亞類(lèi)別，11個(gè)皮質(zhì)GABA+神經(jīng)元亞類(lèi)和8個(gè)非神經(jīng)元細(xì)胞亞類(lèi)別（圖1、B、D和F）。每個(gè)亞類(lèi)基于已知腦細(xì)胞類(lèi)型的至少三個(gè)marker genes的啟動(dòng)子和gene bodies的CA，以及細(xì)胞所在的腦區(qū)域進(jìn)行注釋?zhuān)▓D1、C、E和G；圖S3C；以及表S4和S5）。對(duì)于每個(gè)亞類(lèi)，還進(jìn)行了第三輪聚類(lèi)，并確定了107種不同細(xì)胞類(lèi)型的并集列表（圖1H、圖S4、表S3以及材料和方法）。
構(gòu)建了一個(gè)層次樹(shù)狀圖，顯示了人類(lèi)腦細(xì)胞的已知組織原理。非神經(jīng)元類(lèi)與神經(jīng)元類(lèi)分離，神經(jīng)元類(lèi)根據(jù)神經(jīng)遞質(zhì)類(lèi)型（GABA+、多巴胺能、膽堿能和vGlut+）和發(fā)育起源進(jìn)一步分離（圖1H、圖S6以及材料和方法）。
正如預(yù)期的那樣，大多數(shù)神經(jīng)元細(xì)胞類(lèi)型和一些神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞類(lèi)型以不均勻的方式分布在人腦中（圖1J）。我們根據(jù)不同大腦區(qū)域的貢獻(xiàn)為每個(gè)亞類(lèi)定義了區(qū)域特異性評(píng)分。盡管大多數(shù)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞類(lèi)型普遍分布在整個(gè)大腦中，顯示出非常低的區(qū)域特異性（圖1J，右）。
【人腦cCRE的定位和表征】
確定每種腦細(xì)胞類(lèi)型的身份和功能的基因調(diào)控程序的第一步，在107種腦細(xì)胞中的每一種中鑒定了開(kāi)放染色質(zhì)和cCRE。聚集了來(lái)自包含每個(gè)細(xì)胞簇或類(lèi)型的細(xì)胞核的CA圖譜，并用MACS2鑒定了開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域（30）（圖S8A）。為了更準(zhǔn)確地表征cCRE的細(xì)胞類(lèi)型特異性，將其分為37個(gè)模塊。42個(gè)亞類(lèi)作為（行）與順式調(diào)控模塊作為（列）的關(guān)聯(lián)熱圖。除了第一個(gè)模塊（M1）無(wú)細(xì)胞類(lèi)型特異性的cCRE外，其余36個(gè)模塊顯示出細(xì)胞類(lèi)型特異性的可及性（熱圖）。
【link遠(yuǎn)端cCREs與靶基因】
作者首先做的是，識(shí)別與靶基因轉(zhuǎn)錄呈正相關(guān)的cCRE。先與RNA-seq的數(shù)據(jù)相結(jié)合，首先計(jì)算每個(gè)細(xì)胞亞類(lèi)中單個(gè)核的可及性，將255828個(gè)遠(yuǎn)端cCRE連接到14861個(gè)假定的靶基因上，結(jié)果是在500kb內(nèi)總共有1661975個(gè)gene-cCRE對(duì)。接下來(lái)，確定cCRE的亞群，其可及性與假定靶基因的表達(dá)呈正相關(guān)，因此可以在神經(jīng)元或非神經(jīng)元類(lèi)型中作為推測(cè)的增強(qiáng)子（圖2F，底部）?？偣步沂玖?65049對(duì)正相關(guān)的cCRE和基因，其中包括114877個(gè)推定增強(qiáng)子和13094個(gè)基因（圖2G、圖S9和表S12）。
為了研究細(xì)胞類(lèi)型特異性基因表達(dá)是如何調(diào)節(jié)的，他們將這些推測(cè)增強(qiáng)子進(jìn)一步分為27個(gè)模塊。每個(gè)模塊中的推測(cè)增強(qiáng)子在細(xì)胞亞類(lèi)中具有相似的可及性模式（圖2H），并且靶基因的表達(dá)顯示出正相關(guān)的模式（圖2I）。
【膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞cCREs的區(qū)域特異性】
【人和小鼠大腦CA的比較分析】
為了確定人類(lèi)和小鼠大腦之間基因調(diào)控景觀的保守程度，作者將本研究中定義的人類(lèi)大腦cCREs與他們之前發(fā)表的小鼠大腦cCREs圖譜進(jìn)行了比較，首先對(duì)來(lái)自大腦的18個(gè)神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞亞類(lèi)進(jìn)行聯(lián)合聚類(lèi)（圖A）。
通過(guò)進(jìn)行對(duì)等同源搜索，在小鼠基因組中確定了人類(lèi)cCREs的同源。單獨(dú)在同源CRE上使用CA聚類(lèi)未能對(duì)齊相應(yīng)的細(xì)胞類(lèi)型，相反，基于TF基序富集的聚類(lèi)允許在物種之間合理地對(duì)齊細(xì)胞亞類(lèi)，這一觀察結(jié)果表明，序列motif富集分?jǐn)?shù)是保守的分子特征，可以可靠地將人類(lèi)和小鼠大腦中的相似細(xì)胞亞類(lèi)進(jìn)行比對(duì)。
在這些同源基因的基因組序列中，只有一半(占人類(lèi)總cCREs的32.8%)在小鼠大腦的任何細(xì)胞亞類(lèi)中也被鑒定為開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域。因此，我們將32.8%同時(shí)具有DNA序列相似性和開(kāi)放染色質(zhì)保守性的人類(lèi)cCREs定義為ca保守型cCREs，將26.8%僅具有DNA序列相似性的人類(lèi)cCREs定義為ca分化型cCREs。此外，我們將小鼠基因組中沒(méi)有同源基因組序列的40.4%的人類(lèi)cCREs定義為人類(lèi)特異性的cCREs（圖4C）。
觀察到，大部分CA保守的cCREs位于人類(lèi)基因組的啟動(dòng)子tss區(qū)域或附近。此外，人類(lèi)特異性的cCREs富含轉(zhuǎn)座子(TEs) (圖4D)。先前有研究表明，某些轉(zhuǎn)座子在哺乳動(dòng)物的大腦中是活躍的，并且這些活躍的轉(zhuǎn)座子可能導(dǎo)致疾病的易感性。圖E對(duì)這一說(shuō)法提供了支撐，不同的TE家族可能在特定的腦細(xì)胞類(lèi)型中被激活。例如，LTRs，在小膠質(zhì)細(xì)胞中顯示染色質(zhì)可及性，而在其他腦細(xì)胞亞類(lèi)中不顯示可及性。
【多組學(xué)整合分析】
【解釋神經(jīng)系統(tǒng)疾病和特征的非編碼風(fēng)險(xiǎn)變異】
為了探究神經(jīng)系統(tǒng)疾病和特征的非編碼風(fēng)險(xiǎn)變異，作者做了LDSC分析，為什么要做LDSC？這是因?yàn)樽鯣WAS的目標(biāo)是找到和表型顯著相關(guān)的遺傳位點(diǎn)，連鎖不平衡會(huì)干擾GWAS的結(jié)果，連鎖不平衡就是兩個(gè)基因位點(diǎn)傾向于一起遺傳的現(xiàn)象，一般就是距離近的位點(diǎn)一起遺傳，因此找到的位點(diǎn)可能不是真正與表型相關(guān)的，而可能是與表型相關(guān)位點(diǎn)具有連鎖不平衡的位點(diǎn)。
先前的研究表明，非編碼風(fēng)險(xiǎn)變異富集于疾病相關(guān)細(xì)胞類(lèi)型中活躍的cCREs中。利用新注釋的細(xì)胞類(lèi)型解析人腦cCREs，作者預(yù)測(cè)了與不同神經(jīng)精神疾病相關(guān)的細(xì)胞類(lèi)型。進(jìn)行了連鎖不平衡評(píng)分回歸(LDSC)分析，確定與神經(jīng)精神疾病相關(guān)的DNA變異的遺傳遺傳性是否在cCREs中顯著富集。發(fā)現(xiàn)19種精神疾病和特征與作者鑒定的一種或多種細(xì)胞類(lèi)型中的開(kāi)放染色質(zhì)景觀之間存在顯著關(guān)聯(lián)，而與非中樞神經(jīng)系統(tǒng)特征之間的關(guān)聯(lián)很少。例如，AD的風(fēng)險(xiǎn)變異在小膠質(zhì)細(xì)胞中的cCREs中顯著富集，而在其他細(xì)胞類(lèi)型中則沒(méi)有。
對(duì)保守型、分化型、人類(lèi)特異型CRE分開(kāi)分析后，發(fā)現(xiàn)在保守型CRE中細(xì)胞亞類(lèi)和GWAS形狀之間的關(guān)聯(lián)最強(qiáng)。例如，精神分裂癥的風(fēng)險(xiǎn)變異在表觀遺傳保守元件中表現(xiàn)出最顯著的富集(圖7C）。人類(lèi)特異型CRE大多數(shù)沒(méi)有顯示出關(guān)聯(lián)，但是揭示了AD與小膠質(zhì)細(xì)胞之間的關(guān)聯(lián)。這提高了AD相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)變異可能存在于人類(lèi)特異性調(diào)控元件中的可能性。這一結(jié)果表明，AD動(dòng)物模型在揭示人類(lèi)疾病病理方面存在潛在局限性。例如，一個(gè)AD風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)包含多個(gè)小膠質(zhì)細(xì)胞特異性cCREs，在小鼠基因組中沒(méi)有同源序列。
