Nature：科學家繪出人類大腦發育DNA修飾藍圖

轉自：生物谷

人類的海馬體和前額葉皮層在學習和認知過程中扮演着至關重要的角色，但其發育的動態分子特徵一直是個謎。

近日，一篇發表在國際雜誌Nature上題爲“Temporally distinct 3D multi-omic dynamics in the developing human brain”的研究報告中，來自加利福尼亞大學等機構的科學家們首次揭示了人類大腦發育過程中基因調節的進化分子機制，特別是染色質（DNA和蛋白質）的3D結構在其中的關鍵作用。這項研究爲理解早期大腦發育如何塑造終身心理健康提供了新的見解。

海馬體和前額葉皮層是大腦中負責學習、記憶和情緒調節的重要區域，這些區域也常常與自閉症和精神分裂症等疾病有關。科學家們希望通過研究這些區域的發育過程，找到預防和治療這些疾病的新方法。

在本研究中，研究人員首次繪製出了海馬體和前額葉皮層的DNA修飾圖譜。爲了完成這一壯舉，他們使用了一種尖端的測序技術——單核甲基測序和染色質構象捕獲技術（snm3C-seq）。這一技術允許他們同時分析控制單細胞基因表達的兩種表觀遺傳學標記：DNA甲基化和染色質構象。染色質構象揭示了染色體如何在細胞核內摺疊成3D結構，這對於基因的表達和調控至關重要。

研究者Luo博士表示：“神經精神性疾病，即使是那些在成年期出現的疾病，往往源於早期大腦發育中的遺傳因素。我們繪製的圖譜提供了一個基線，可以用來對比受疾病影響的大腦的基因相關研究，並確定分子變化發生的時間和地點。”

科學家首次成功繪製出發育中人類大腦的DNA修飾藍圖

圖片來源：Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-08030-7

研究人員通過在線平臺公開了他們的數據資源，這將爲科學家們提供一個寶貴的工具，幫助他們將與這些疾病相關的基因突變與其影響的基因、細胞和發育時期聯繫起來。例如，自閉症譜系障礙通常在2歲及以上的兒童中診斷出來，但如果能深入瞭解其遺傳風險及其對發育的影響，科學家們或許能開發出新的干預措施，幫助減緩自閉症的症狀，如大腦發育期間的溝通障礙。

此外，研究人員還分析了從妊娠中期到成年期超過5.3萬名捐贈者的大腦細胞，揭示了關鍵發育窗口期間基因調節的明顯改變。特別是在懷孕中期，這一時期被稱爲放射狀膠質細胞的神經幹細胞會停止產生神經元，並開始產生支持和保護神經元的膠質細胞。同時，新形成的神經元會成熟並獲得特定的功能，形成促進神經元交流的突觸連接。

Paredes教授表示：“我們的研究解決了通常被忽略的年齡段（妊娠晚期和嬰兒期）的發育中的人類大腦中DNA組織和基因之間的複雜關聯。基於這些研究結果，我們已經識別出了不同細胞類型之間的關聯，並能解決在識別神經發育和神經精神性疾病遺傳風險因素方面所面臨的挑戰。”

綜上，這項研究不僅爲理解大腦發育提供了新的視角，還對改進基於幹細胞的模型具有重要意義，如用於研究大腦發育和疾病的大腦類器官。研究人員繪製的圖譜可以爲科學家們提供一個基準，確保這些模型能準確複製人類的大腦發育。

參考文獻：

Heffel, M.G., Zhou, J., Zhang, Y. et al. Temporally distinct 3D multi-omic dynamics in the developing human brain. Nature (2024). doi：10.1038/s41586-024-08030-7

（轉自：生物谷）