《Nature》表观基因组动力学：产前和婴儿阶段精神疾病相关的染色质变化

研究人员研究了前额皮质和海马发育过程中的染色质构象和表观基因组重组。

　　

大脑发育的新见解：研究绘制了与产前和婴儿阶段精神疾病相关的染色质变化。

在最近发表在《Nature》杂志上的一项研究中，研究人员调查了前额皮质（PFC）和海马体（HPC）发育过程中的染色质构象和表观基因组重组。

人类大脑的早期发育

人脑由数百种具有不同形态、分子、功能和解剖特征的细胞组成。大多数皮质神经元在怀孕的前三个月和中期形成；然而，这些细胞的独特分子特征出现在妊娠晚期和青春期之间。

最近的研究报道了出生后早期发育中的染色质重塑。然而，产前脑组织中DNA甲基化和染色质构象变化的轨迹尚未在单细胞分辨率下表征。

调查PFC和HPC的发展

在目前的研究中，研究人员使用单核甲基染色质构象捕获（3C）测序（snm3C-seq3）研究了人类PFC和HPC发育的动力学。从成人和发育中的人类额叶皮层样本中产生了大约29,700个snm3C-seq3基因，而从HPC样本中分离出超过23,300个snm3C-seq3基因。

研究人员在单个细胞中以100千碱基（kb）的分辨率量化了3C信息，以及非胞嘧啶-鸟嘌呤（non-CG）和CG甲基化数据。在发育阶段共鉴定出139个细胞群。兴奋性神经元在HPC和PFC中表现出不同的表观基因组类型，而非神经元和抑制性神经元在这两个区域之间是共享的。

与PFC神经元相比，HPC抑制性和兴奋性神经元的非CG甲基化开始得更早，在妊娠第39周（GW） HPC中观察到显著的非CG甲基化。相比之下，PFC神经元直到婴儿期才表现出相当水平的非CG甲基化。

染色质相互作用和验证

随后，通过相互作用位点之间的距离分布对单细胞3C谱进行聚类。为此，神经细胞类型在以短程相互作用为主的簇中富集，而非神经细胞和胶质细胞则在以远程相互作用为主的簇中富集。

还分析了一个公共的和大量的人体初级组织的Hi-C数据集。该分析表明，来自所有组织的染色质构象谱都具有LE特征，从而表明性（SE）染色质是神经元细胞特异性的。

染色质示踪和核糖核酸（RNA）多路错误-鲁强荧光原位杂交（MERFISH）也被用于验证妊娠中期新分化神经元（GW 23）的神经元特异性SE染色质构象。

通过标记354个基因组位点，以250 kb分辨率对14号染色体进行成像，从而在脉络膜丛、毛毡和HPC的24,099个细胞中重建了46,023个染色体同源物的构象。

RNA MERFISH在相同的组织切片上进行。在神经细胞类型中，相距5 Mb的基因组区域具有紧凑的空间距离，从而表明高相互作用频率。

远端基因组区域具有较大的物理距离，因此表明交互频率较低。非神经元细胞和祖细胞表现出相反的模式，基因组距离较短的位点具有较大的物理距离，而远端基因组位点具有较低的空间距离。影像学结果也证实了放射状胶质细胞（RG）向兴奋性神经元分化过程中SE构象的出现。

染色质结构的发育变化

染色质区隔化强度得分与短距离相互作用比呈负相关。因此，具有LE构象的细胞类型与更强的室强度相关。隔室强度也受到发育调节，在妊娠中期和晚期观察到强度下降，随后在进一步发育期间增加。

基于方差的分析方法被用于识别跨细胞型分化轨迹的差异染色质环。在所有神经元轨迹中，发育获得的染色质环明显多于发育丢失的环。在呈现LE构象的星形胶质细胞中，在分化过程中获得和丢失的环路数量相似。

神经精神障碍遗传性

在发育阶段和细胞类型中发现了超过250万个差异甲基化区域（DMRs）。转录因子（TF）结合基序分析表明，谱系特异性和活性依赖性TF的顺序作用决定了抑制性和兴奋性神经元的调控格局。

在妊娠中期激活的调控元件在谱系特异性tf的结合基序中变得丰富。在谱系确定后，活性依赖性tf的结合基序在妊娠晚期和婴儿阶段激活的调控元件中变得丰富。

研究人员还量化了每种细胞类型的染色质环或DMRs定义的注释的多基因遗传性富集。与所有DMRs相比，环连接的DMRs表现出更大的遗传力富集，从而支持使用环来定位因果变异。

共有190个精细定位的假定精神分裂症因果位点与DMRs和环连接的DMRs重叠。在与假定的因果变异重叠的比值比与跨细胞类型的遗传力富集之间观察到强有力的相关性。

还评估了神经元群体中神经精神障碍遗传性富集的发育动态。这揭示了DMRs和环连接DMRs在发育轨迹上的相似模式；然而，环连接的DMRs具有更高的总体遗传力富集。

双相情感障碍和精神分裂症的多基因遗传力从神经祖细胞到早期有丝分裂后神经元，并在妊娠后期进一步增加到有丝分裂后神经元。总的来说，这些神经精神疾病的遗传富集在婴儿的神经祖细胞和神经元之间有一致的发育增加，而在成人大脑中则有所下降。

结论

该研究结果强调了从孕中期和孕晚期到新生儿期从祖细胞到胶质细胞和神经元群体的动态转变。围产期发育过程中神经元染色质构象和甲基组的重塑表明，人类大脑易受环境和遗传干扰。

双相情感障碍和精神分裂症的遗传风险似乎也在妊娠晚期和婴儿期达到高峰。总的来说，这些数据为研究发育中的大脑中的基因调控动力学提供了多模式资源，并说明单细胞多组学是描述神经精神风险位点的有力工具。