大腦細胞里關鍵基因的高清三維結構。左側為來自父親的基因，右側為來自母親的基因。（圖片來源：《細胞》）

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

1月22日，一項刊發(fā)在《細胞》上的研究帶來了超過3000個哺乳動物腦細胞的轉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)育及相關疾病的診療提供幫助。該研究由北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心主任謝曉亮帶領團隊完成。

結構決定功能

人類對生命的探索不止不休。

1953年，世界首個DNA模型問世，雙螺旋結構深入人心。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。在基因組學成為生物學一大子領域的今天，科學家對“結構決定功能”這句話的理解愈發(fā)深刻：

不止是基因組序列，DNA分子本身的三維結構對單個細胞的功能也有重要影響。

每個細胞的基因組結構都不盡相同。得益于不斷更新的技術手段，科學家已經(jīng)能構建出哺乳動物單細胞基因組的三維結構——這項2018年發(fā)表在《科學》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，其中一項新技術——單細胞染色質構象捕獲技術（diploid chromatin conformation capture，Dip-C）起到了關鍵作用。

在當時，謝曉亮團隊的博士后成員譚隆志參與了相關技術的開發(fā)工作。本次發(fā)表在《細胞》上的新成果，就是憑借Dip-C等技術獲得的。

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

大腦皮層單個神經(jīng)細胞的結構圖，分辨率20kb。（圖片來源：謝曉亮課題組）

不斷精進的單細胞測序技術

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

“MALBAC是一項非常獨特、創(chuàng)新的單細胞測序技術”，譚隆志表示，該技術從設計層面入手，注重提升擴增均一性，能夠靈敏、準確地測量單細胞中含量極少的DNA和RNA。

這之后，該課題組一直致力于開發(fā)高精度的單細胞測序方法。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拷貝來擴增基因組，推出的單細胞基因組線性擴增（linear amplification via transposon insertion，LIANTI）進一步提升測序的均一性和準確性。

從生物體角度來看，人類、相當一部分高等動物都是二倍體。但基因組學誕生后的很長一段時間里，單個二倍體細胞的結構測量無法實現(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。人類的46條染色體平分為2套，套內的23條染色體分別來源于父母，這之中的序列相似度高達99.9%，差異非常細微，但通過Dip-C技術，研究者可以對兩套染色體進行區(qū)分。

“迄今為止，Dip-C仍然是測量單個二倍體細胞高分辨率3D全基因組結構的唯一方法?！弊T隆志表示。

隨著測序技術的不斷精進，相關的研究發(fā)現(xiàn)也越來越多。比如作為細胞“大腦”的細胞核，其內部的染色質在細胞特異性基因表達中發(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，而這些神經(jīng)元的基因組有著獨特的三維結構，很可能決定著相應的功能。

本次新發(fā)表的研究中，謝曉亮等人用到了MALBAC技術的升級版：MALBAC-DT（數(shù)字轉錄組學）。進一步提高靈敏度和準確度后，課題組首次得到了哺乳動物大腦在產(chǎn)后發(fā)育過程中的單細胞轉錄組圖譜，具體數(shù)量為3517個。而借助Dip-C方法，他們完成了3646個三維基因組結構圖集。

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

向理解腦內神經(jīng)發(fā)育更進一步

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

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

“這一轉化恰好發(fā)生在大腦開始接收外界感官刺激的時期，即小鼠出生后第一個月?！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錄組轉化幾乎都不受后天影響，因此答案是否定的。

另一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，先前研究中，譚隆志與謝曉亮等人發(fā)現(xiàn)嗅覺細胞的基因組內有獨特的內移現(xiàn)象：很多平時處在細胞核表面的基因區(qū)域，會在神經(jīng)細胞分化時大幅移向細胞核內部。而這種現(xiàn)象對嗅覺受體調控有重要作用。

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

接下來，課題組還會拓展現(xiàn)有技術的應用范圍，并繼續(xù)開發(fā)測序新方法。譚隆志表示，他們將進一步測量單個細胞的三維基因組結構、轉錄組或其他組，“生物方面，我們將測量更多器官、更多年齡的更多細胞，更全面地解釋哺乳動物發(fā)育的分子原理。”

單個海馬體神經(jīng)細胞結構圖，分辨率20kb。（圖片來源：謝曉亮課題組）

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.032



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