大腦細(xì)胞里關(guān)鍵基因的高清三維結(jié)構(gòu)。左側(cè)為來自父親的基因，右側(cè)為來自母親的基因。（圖片來源：《細(xì)胞》）

哺乳動(dòng)物的大腦各不相同，腦細(xì)胞數(shù)量也有差別：人約有1千億個(gè)腦神經(jīng)細(xì)胞，狗約有5.3億個(gè)，而小鼠約有7千萬個(gè)……那么，單個(gè)腦細(xì)胞的基因長(zhǎng)什么樣？它們的形狀和功能之間又有何關(guān)聯(lián)？

1月22日，一項(xiàng)刊發(fā)在《細(xì)胞》上的研究帶來了超過3000個(gè)哺乳動(dòng)物腦細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組圖集和三維基因組圖集。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，研究者可為神經(jīng)發(fā)育及相關(guān)疾病的診療提供幫助。該研究由北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心主任謝曉亮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成。

結(jié)構(gòu)決定功能

人類對(duì)生命的探索不止不休。

1953年，世界首個(gè)DNA模型問世，雙螺旋結(jié)構(gòu)深入人心。2001年，人類基因組工作草圖問世，人類遺傳密碼的破譯程度前所未有。在基因組學(xué)成為生物學(xué)一大子領(lǐng)域的今天，科學(xué)家對(duì)“結(jié)構(gòu)決定功能”這句話的理解愈發(fā)深刻：

不止是基因組序列，DNA分子本身的三維結(jié)構(gòu)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的功能也有重要影響。

每個(gè)細(xì)胞的基因組結(jié)構(gòu)都不盡相同。得益于不斷更新的技術(shù)手段，科學(xué)家已經(jīng)能構(gòu)建出哺乳動(dòng)物單細(xì)胞基因組的三維結(jié)構(gòu)——這項(xiàng)2018年發(fā)表在《科學(xué)》上的研究，作者之一正是謝曉亮。

該成果的發(fā)表得益于一系列技術(shù)，其中一項(xiàng)新技術(shù)——單細(xì)胞染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（diploid chromatin conformation capture，Dip-C）起到了關(guān)鍵作用。

在當(dāng)時(shí)，謝曉亮團(tuán)隊(duì)的博士后成員譚隆志參與了相關(guān)技術(shù)的開發(fā)工作。本次發(fā)表在《細(xì)胞》上的新成果，就是憑借Dip-C等技術(shù)獲得的。

“過去的技術(shù)無法測(cè)量單細(xì)胞的三維基因組結(jié)構(gòu)，此前也沒有哺乳動(dòng)物大腦產(chǎn)后發(fā)育的單細(xì)胞數(shù)據(jù)”，論文第一作者、斯坦福大學(xué)生物工程系博士后譚隆志告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

大腦皮層單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)圖，分辨率20kb。（圖片來源：謝曉亮課題組）

不斷精進(jìn)的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)

全職加入北大前，謝曉亮曾在美國哈佛大學(xué)從事單分子生物研究多年。2012年，謝曉亮課題組推出的單細(xì)胞全基因組均勻擴(kuò)增的新方法—多重退火循環(huán)擴(kuò)增法（MALBAC），大幅提高了單細(xì)胞測(cè)序的通量和精準(zhǔn)度。

“MALBAC是一項(xiàng)非常獨(dú)特、創(chuàng)新的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)”，譚隆志表示，該技術(shù)從設(shè)計(jì)層面入手，注重提升擴(kuò)增均一性，能夠靈敏、準(zhǔn)確地測(cè)量單細(xì)胞中含量極少的DNA和RNA。

這之后，該課題組一直致力于開發(fā)高精度的單細(xì)胞測(cè)序方法。2017年，謝曉亮和同組的陳崇毅、邢棟、譚隆志、李恒等人采用RNA而非DNA拷貝來擴(kuò)增基因組，推出的單細(xì)胞基因組線性擴(kuò)增（linear amplification via transposon insertion，LIANTI）進(jìn)一步提升測(cè)序的均一性和準(zhǔn)確性。

從生物體角度來看，人類、相當(dāng)一部分高等動(dòng)物都是二倍體。但基因組學(xué)誕生后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，單個(gè)二倍體細(xì)胞的結(jié)構(gòu)測(cè)量無法實(shí)現(xiàn)。2018年，為了將研究范圍從單倍體拓展到二倍體，課題組開發(fā)了Dip-C技術(shù)。人類的46條染色體平分為2套，套內(nèi)的23條染色體分別來源于父母，這之中的序列相似度高達(dá)99.9%，差異非常細(xì)微，但通過Dip-C技術(shù)，研究者可以對(duì)兩套染色體進(jìn)行區(qū)分。

“迄今為止，Dip-C仍然是測(cè)量單個(gè)二倍體細(xì)胞高分辨率3D全基因組結(jié)構(gòu)的唯一方法?！弊T隆志表示。

隨著測(cè)序技術(shù)的不斷精進(jìn)，相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)也越來越多。比如作為細(xì)胞“大腦”的細(xì)胞核，其內(nèi)部的染色質(zhì)在細(xì)胞特異性基因表達(dá)中發(fā)揮著重要作用——視覺和嗅覺都與高度專門化的功能神經(jīng)元密切相關(guān)，而這些神經(jīng)元的基因組有著獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，很可能決定著相應(yīng)的功能。

本次新發(fā)表的研究中，謝曉亮等人用到了MALBAC技術(shù)的升級(jí)版：MALBAC-DT（數(shù)字轉(zhuǎn)錄組學(xué)）。進(jìn)一步提高靈敏度和準(zhǔn)確度后，課題組首次得到了哺乳動(dòng)物大腦在產(chǎn)后發(fā)育過程中的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，具體數(shù)量為3517個(gè)。而借助Dip-C方法，他們完成了3646個(gè)三維基因組結(jié)構(gòu)圖集。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，他們又得到不少有趣的發(fā)現(xiàn)。

向理解腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)育更進(jìn)一步

根據(jù)轉(zhuǎn)錄組圖譜的數(shù)據(jù)，課題組發(fā)現(xiàn)小鼠出生后，大量基因被動(dòng)態(tài)表達(dá)，從而形成初生、成年兩個(gè)基因表達(dá)模組?！斑@說明初生與成年大腦在基因表達(dá)上有巨大差異、并可能影響大腦認(rèn)知功能的形成?！弊T隆志表示。

而將三維基因組圖集和轉(zhuǎn)錄組圖集結(jié)合起來看，譚隆志等人發(fā)現(xiàn)小鼠出生后一個(gè)月內(nèi)，其大腦在三維結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄組層面都有變動(dòng)，這意味著大腦的確在分子層面發(fā)生了轉(zhuǎn)化。

“這一轉(zhuǎn)化恰好發(fā)生在大腦開始接收外界感官刺激的時(shí)期，即小鼠出生后第一個(gè)月?！弊T隆志說。

那么，這些這些分子層面的變化是由外界感官刺激引起的嗎？

針對(duì)這一問題，課題組從視覺研究入手，將出生的小鼠飼養(yǎng)于黑暗環(huán)境中，避免其受到視覺刺激。但他們發(fā)現(xiàn)，這些“暗中飼養(yǎng)”的小鼠視覺皮層的三維基因組和轉(zhuǎn)錄組轉(zhuǎn)化幾乎都不受后天影響，因此答案是否定的。

另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，先前研究中，譚隆志與謝曉亮等人發(fā)現(xiàn)嗅覺細(xì)胞的基因組內(nèi)有獨(dú)特的內(nèi)移現(xiàn)象：很多平時(shí)處在細(xì)胞核表面的基因區(qū)域，會(huì)在神經(jīng)細(xì)胞分化時(shí)大幅移向細(xì)胞核內(nèi)部。而這種現(xiàn)象對(duì)嗅覺受體調(diào)控有重要作用。

而在本次發(fā)表的研究中，課題組發(fā)現(xiàn)這種內(nèi)移現(xiàn)象同樣存在于大腦的各種神經(jīng)細(xì)胞中，大約發(fā)生在小鼠出生后的一個(gè)月內(nèi)。“這一發(fā)現(xiàn)表明，中樞與周圍神經(jīng)細(xì)胞系在三維基因組結(jié)構(gòu)方面可能共享某些特殊通路，未來可以深入研究。”譚隆志說。

接下來，課題組還會(huì)拓展現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用范圍，并繼續(xù)開發(fā)測(cè)序新方法。譚隆志表示，他們將進(jìn)一步測(cè)量單個(gè)細(xì)胞的三維基因組結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄組或其他組，“生物方面，我們將測(cè)量更多器官、更多年齡的更多細(xì)胞，更全面地解釋哺乳動(dòng)物發(fā)育的分子原理。”

單個(gè)海馬體神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖，分辨率20kb。（圖片來源：謝曉亮課題組）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.032



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