《Nature》特刊：里程碑式的表观基因组脑图谱

开创性研究，作为大脑计划的一部分，分析了200万个小鼠脑细胞，揭示了脑细胞类型和基因调控的复杂细节，增强了对大脑功能和疾病的理解。

　　

索尔克大学的研究人员将所有基因结构的化学变化编目，这些变化协调了小鼠大脑中细胞的行为，从而产生了迄今为止最详细的小鼠大脑中神经元多样性和连接的图谱。

索尔克研究所(Salk Institute)的研究人员，作为一项旨在彻底改变科学家对大脑认识的全球倡议的一部分，分析了来自鼠的200多万个脑细胞，组装了迄今为止最完整的鼠大脑图谱。他们的研究成果发表在2023年12月13日的《自然》(Nature)特刊上，不仅详细介绍了大脑中存在的数千种细胞类型，还介绍了这些细胞如何连接，以及每个细胞中活跃的基因和调控程序。

脑细胞分析的进展

这项工作，不仅获得了很多关于细胞组成小鼠大脑的信息，而且还获得了这些细胞内基因如何调节以及如何驱动细胞功能的信息，”当你采用这种基于表观基因组的细胞图谱并开始研究已知会导致人类疾病的遗传变异时，你就会对哪种细胞类型在疾病中最脆弱有新的认识。”

美国国立卫生研究院大脑计划于2014年启动，为研究人员提供了超过30亿美元的资金，用于开发变革性技术并将其应用于脑科学。

2021年，由BRAIN Initiative(包括索尔克大学的团队)支持的研究人员公布了小鼠大脑图谱的初稿，该图谱开创了表征神经元的新工具，并将这些工具应用于小鼠大脑的一小部分。今年早些时候，许多相同的技术被用于组装人类大脑的初始图谱。在最新的工作中，研究人员扩大了研究细胞的数量，并包括了小鼠大脑的哪些区域，并使用了最近几年才出现的新的单细胞技术。

全脑分析和公众可及性

“这是整个大脑，这是以前没有做过的，” Edward Callaway教授说，他是两篇新论文的资深作者。“观察整个大脑会产生一些想法和原则，而一次只观察一个部分是无法了解的。”

为了帮助其他研究人员研究小鼠大脑，新的数据通过一个在线平台公开提供，不仅可以通过数据库搜索，还可以使用人工智能工具ChatGPT进行查询。

索尔克大学研究教授Margarita Behrens参与了所有四篇新论文，她补充说:“有一个非常大的群体把小鼠作为模型生物，这给了他们一个非常强大的新工具，可以用于涉及鼠大脑的研究。”

《自然》杂志的特刊上总共有10篇NIH BRAIN计划的文章，其中包括四篇由索尔克研究人员共同撰写的描述小鼠大脑细胞及其连接的文章。这四篇论文的亮点包括:

单细胞DNA甲基化图谱

为了确定小鼠大脑中的所有细胞类型，索尔克研究人员采用了一次分析单个脑细胞的尖端技术。这些单细胞方法既研究了细胞内DNA的三维结构，也研究了附着在DNA上的甲基化学基团的模式——这是细胞控制基因的两种不同方式。2019年，埃克的实验室小组率先采用了同时进行这两种测量的方法，这使得研究人员不仅可以确定哪些遗传程序在不同的细胞类型中被激活，还可以确定这些程序是如何打开和关闭的。

研究小组发现了在不同细胞类型中通过不同方式被激活的基因的例子，比如能够通过两个不同的开关打开或关闭一盏灯。了解这些重叠的分子电路使研究人员更容易开发干预脑部疾病的新方法。

“如果你能理解这些细胞类型中所有重要的调控元素，你也可以开始理解细胞的发育轨迹，这对理解自闭症和精神分裂症等神经发育障碍至关重要，”Ecker实验室的博士后研究员、这篇论文的第一作者Hanqing Liu说。

研究人员还在大脑的哪些区域包含哪些细胞类型方面有了新的发现。当对这些细胞类型进行分类时，他们还发现脑干和中脑的细胞类型比大脑皮层的细胞类型要多得多——这表明大脑的这些小部分可能已经进化出了更多的功能。

单细胞染色质图

另一种间接确定DNA结构的方法，以及哪些遗传物质被细胞积极利用的方法，是测试哪些DNA在物理上可以被其他可以与之结合的分子接触。利用这种被称为染色质可及性的方法，由加州大学圣地亚哥分校的任冰领导的研究人员——包括索尔克大学的埃克和贝伦斯——绘制了来自117只小鼠的230万个单个脑细胞的DNA结构。

然后，研究小组利用人工智能来预测，基于这些染色质可接近性的模式，DNA的哪些部分是细胞状态的总体调节剂。他们发现的许多调控元件位于已经与人类脑部疾病有关的DNA片段中;确切地说，哪些细胞类型使用哪些调节元件的新知识有助于确定哪些细胞与哪些疾病有关。

神经元的投射和连接

在另一篇由Behrens, Callaway和Ecker共同撰写的论文中，研究人员绘制了小鼠大脑中神经元之间的连接图。然后，他们分析了这些图谱与细胞内甲基化模式的对比。这让他们发现哪些基因负责将神经元引导到大脑的哪些区域。

埃克实验室的博士后研究员、该论文的第一作者之一周景田说:“我们发现了一些规则，这些规则决定了细胞根据它们的DNA甲基化模式向哪里移动。”

神经元之间的联系对它们的功能至关重要，这组新的规则可能有助于研究人员研究疾病中出现的问题。

比较小鼠、猴子和人类的运动皮层

运动皮层是哺乳动物大脑中参与计划和执行自主身体运动的部分。由Behrens, Ecker和Ren领导的研究人员研究了来自人类，小鼠和非人类灵长类动物的运动皮层的20多万个细胞的甲基化模式和DNA结构，以更好地了解运动皮层细胞在人类进化过程中是如何变化的。

他们能够确定特定调节蛋白的进化方式与基因表达模式的进化方式之间的相关性。他们还发现，人类特有的调控元件中有近80%是转座元件——一种小的、可移动的DNA片段，可以很容易地改变其在基因组中的位置。

总结

这一整套研究可以作为其他人未来研究的蓝图。研究特定细胞类型的人现在可以查看我们的数据，看到这些细胞连接的所有方式以及它们被调节的所有方式。这是一种让人们提出自己问题的资源。

1.“Single-cell DNA methylome and 3D multi-omic atlas of the adult mouse brain”

2.“Single-cell analysis of chromatin accessibility in the adult mouse brain”

3.“Brain-wide correspondence of neuronal epigenomics and distant projections”

4.“Conserved and divergent gene regulatory programs of the mammalian neocortex”