中国科学家合作揭示人类大脑进化的发育调控机制

2021年1月27日，中国科学院昆明动物研究所宿兵研究员、北京大学生命科学院李程研究员与中国科学院数学与系统科学研究院张世华研究员的研究团队合作在国际顶尖学术期刊《细胞》在线发表最新研究成果。该研究构建了灵长类迄今最高分辨率的大脑三维（3D）基因组图谱，通过跨物种多组学分析和实验验证，揭示了三维基因组参与人类大脑发育的进化机制。

Cell Press细胞出版社微信公众号对该论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，

人类进化过程中，哪些遗传改变造就了人类大脑是国际科学界长期力图解决的重要科学问题之一。人类所有的器官，包括大脑的形成都是通过发育过程来实现的。人类独特的脑发育模式源于在进化过程中基因组不断积累的功能性突变。然而，由于物种间存在数以百万计的序列差异，而其中只有少数的关键差异才具有重要的功能效应，如何将基因组中的关键序列差异与脑发育的调控改变之间建立因果联系并解析其中的分子调控机制是颇具挑战的课题。猕猴与人类具有较近的亲缘关系，在人类大脑的起源、发育机制和脑疾病的研究中，猕猴成为动物模型的不二之选。

哺乳动物的基因组通常长约有2米，有序的折叠在仅有十微米的细胞核中。全基因组染色质空间构象捕获（简称Hi-C）等最新高通量组学技术的开发为精细解析大脑发育过程中基因组的三维组织方式和分子调控机制提供了强大的工具。研究人员通过学科交叉合作开展了跨物种脑发育3D基因组的研究。首先利用Hi-C技术构建了中国猕猴胎脑神经发育高峰期的高分辨3D基因组图谱。这是目前包括人类在内的灵长类大脑分辨率最高的3D基因组图谱，可以高精度地解析脑发育中基因组的空间组织方式。接下来，解析了猕猴胎脑的转录组图谱、染色质开放区图谱以及染色质锚定蛋白CTCF的分布图谱。综合这些猕猴胎脑的多组学图谱数据，研究人员构建了猕猴胎脑发育的染色质精细空间构象，鉴定了包括染色质区室、染色质拓扑结构域（简称TAD）以及染色质环(简称Loop)等不同尺度的染色质构象，以及基因组在大脑发育中发挥重要作用的调控元件。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请宿兵教授进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：首先，请问是在什么样的背景下您和您的团队确定了这个研究选题？

宿兵教授：人类大脑起源于漫长的生命进化过程。人类进化过程中哪些遗传改变造就了人类大脑是国际科学界长期力图回答的重要科学问题。与其他器官一样，大脑的形成也是通过发育过程来实现的，而人类独特的脑发育模式源于在进化中基因组积累的功能性突变。比较基因组的研究已经发现大量人类特异的基因组序列变异和调控元件。哺乳动物包括人类的基因组一般长度约2米，折叠在仅有10微米大小的细胞核中。基因组在细胞核的三维空间中层次化有序折叠，其染色质高维结构对发育中细胞的增殖和有序分化至关重要。如何将基因组中的序列差异与脑发育的调控改变之间建立因果联系，并解析其中的分子调控机制，是颇具挑战的问题。因此，我们希望通过对胎脑发育中3D基因组组织方式的跨物种比较，鉴定人类特异的调控元件和调控通路，从进化发育（Evo-Devo）的角度解析人类大脑起源的遗传机制。

CellPress：通过比较人类、猕猴和小鼠大脑的3D基因组有什么样的发现？

宿兵教授：我们通过跨物种大脑3D基因组的比较有4个方面的发现：1）构建了迄今最高分辨率的灵长类大脑三维基因组图谱；2）发现了多个具有人类特异染色质结构的基因组位点，包括499个人类特异染色质拓扑结构域 (TADs)和1266个人类特异的染色质环 (Loops); 3) 人类特异Loops显著富集增强子-增强子互作的调控模式，提示大脑发育在人类祖先中进化出了更为精细的转录调控网络；4）发现人类特异Loops调控的基因在胎脑的SP（subplate）层的兴奋性投射神经元中显著表达。SP层特异表达的EPHA7基因受到一个人类特异Loop的调控，与猕猴和小鼠相比，改变了人类早期神经网络的发育进程。这是自1974年发现SP神经元以来，首次从遗传学层面证实SP神经元基因表达调控的变化对人类大脑发育的重要作用。

CellPress：了解人类大脑进化的调控机制有怎样的重要意义？

宿兵教授：人类大脑的认知功能如感知觉、学习记忆、语言、思维、情感和自我意识等赋予了人类非凡的智慧和创造力。了解人类大脑进化的调控机制就是发现人类大脑在遗传调控上与其他物种的差别，而这种差别是导致人类与众不同的脑结构以及人类智力起源的关键因素。另外，了解人类大脑进化发育的细胞和分子调控机制是探索人类脑疾病的发病原因及开发新的治疗方法和药物的重要基础。

CellPress：Hi-C数据是如何有效捕获皮质发生过程中的调节事件？

宿兵教授：Hi-C是近年来发展的在全基因组水平构建染色质三维构像的新技术。它的基本原理是通过甲醛处理将DNA与蛋白质交联在一起从而固定DNA的构象，然后通过DNA文库构建和高通量测序揭示染色体片段间的三维交互信息。将Hi-C数据与其他组学数据，如基因表达谱数据和染色质开放区域图谱数据（显示染色质上活跃的调控元件，如增强子）结合，我们就可以推断调控元件所调控的靶基因及其对基因表达的影响，从而重现大脑发育中的重要调控事件。

CellPress：在实验方法上，本研究有怎样的突破？

宿兵教授：在实验方法上，我们首先通过高通量测序构建了猕猴胎脑的高分辨染色质3D基因组图谱，这是目前包括人类在内的灵长类物种大脑最高分辨率的3D基因组。我们同时利用多组学的策略，在解析3D基因组的同时，构建了胎脑的转录组图谱、染色质开放区图谱以及染色质锚定蛋白CTCF的分布图谱。将这些图谱综合分析有助于重现大脑发育中的重要调控事件。

CellPress：在本研究的基础上，接下来您和您的团队的研究方向是什么？

宿兵教授：人类起源与进化的遗传机制是我的研究团队长期以来在探索的研究方向。我们未来的研究将进一步解析SP层对人类大脑发育的作用。SP层是脑发育早期神经环路及神经可塑性形成的重要脑层，在人类进化过程中SP层出现了显著的扩张，其厚度可以达到皮层厚度的4倍左右。但由于在胎儿出生以后，该SP层逐渐消失，人们对其形成机制和功能了解较少。我们这次的研究表明SP层对人类大脑发育可能非常重要，因此，我们未来会进一步深入研究SP层对人类特异脑结构形成的调控机制。另外，大脑的Evo-Devo研究是解析人类大脑起源遗传机制重要视角，我们未来会研究更多的大脑发育关键节点以及在进化上跨度更大的物种，以期了解动物在进化过程中如何从小而简单的大脑逐步变成大且复杂的大脑。

这一研究成果首次产生了非人灵长类动物的高精度三维基因组学图谱资源，并利用大脑三维基因组的跨物种多组学分析，发现了人类特异的染色质结构和脑发育调控元件，为阐明人类大脑发育的进化机制提供了新思路和证据。

罗鑫副研究员（昆明动物所）、刘玉婷（北京大学博士研究生）和党大昌（数学院博士研究生）为论文的共同第一作者，宿兵研究员、李程研究员和张世华研究员为论文的共同通讯作者。北京大学孙育杰教授对成像实验提供了宝贵建议。该研究得到中国科学院、国家自然科学基金委、科技部和云南省相关基金项目的资助。