解码大脑：PsychENCODE三篇文章 绘制大脑的基因调控迷宫

　　

遗传研究对神经发育和神经精神疾病的分子诊断做出了巨大贡献。然而，由于临床表现的范围和人类大脑的大小和复杂性，这些疾病的确切分子机制仍然知之甚少。由于缺乏对生物学的了解，很难破译这些疾病的遗传变异与环境原因、生物学过程的关联从而确定最有效的治疗方法。上一期《Science》发表的3篇文章作为PsychENCODE2论文合集的一部分，对1000多个不同年龄和种族的人类大脑样本进行了广泛的分子分析。这个数据集提供了一个广泛有用的资源，将遗传变异映射到基因和生物功能，这有利于分子诊断以及对人类大脑生物学的基础研究。

包括微阵列和测序在内的分子分析，已经确定了许多对大脑发育和发展神经精神疾病风险有强烈影响的基因改变——包括大的染色体缺失，隐性遗传变异和显性新生突变。此外，全基因组关联研究(GWASs)已经确定了常见遗传变异与发展某些疾病风险之间的联系。这些常见的变异往往效果较弱，因此，GWAS需要大量的队列来确定强大的遗传关联。

尽管这些方法在检测致病遗传变异方面变得越来越好，但很难将已识别的遗传变异或染色体缺失与导致观察到的表型的基因联系起来。此外，使用全基因组分析的研究表明，这些疾病的一些遗传风险存在于非编码序列中。然而，解释这些变异是出了名的困难，并且受到环境特异性的影响，包括组织类型、细胞类型和发育阶段对基因调控的影响。这使得识别基因调控序列变异影响的任务在生物学上复杂且技术上要求很高。

为了应对这些挑战，PsychENCODE联盟于2015年成立，作为一个多地点、多研究者的努力，旨在生成人类大脑中基因调控的多层数据。目前的PsychENCODE2收集为识别在不同发育和成年阶段调节大脑基因表达的基因组区域提供了资源。这些研究分析了从胎儿组织、健康成人和患有自闭症谱系障碍、双相情感障碍和精神分裂症的个体获得的大脑样本的基因表达和基因型。它们提供了大量的资源，有助于识别与跨细胞类型和人类大脑发育阶段的基因表达相关的基因调控元件，而且还绘制了与特定RNA转录物(如同种异构体和剪接变异体)表达相关的图谱。这些研究突出了人类大脑中基因调控的复杂性、环境特异性和多层性，为精神疾病的遗传易感性提供了新的视角，并为大脑疾病遗传关联的系统生物学检查提供了数据中心。

Deng教授和Wen教授专注于发展中的人类前脑——这是大脑中最大的区域，在高级认知功能中起着核心作用，并与广泛的神经精神疾病有关，他们分析了胎儿发育不同阶段的特征基因调控元件。Wen收集和分析672个大脑样本的基因表达谱和潜在基因型，涵盖所有妊娠阶段，构建发育中的人类前脑基因调控元件图谱。他们的研究不仅将基因型与基因表达水平联系起来，还将基因异构体和选择性剪接联系起来，这在很大程度上有助于人类大脑中基因表达的多样性。

他们还利用数据集中不同祖先背景的遗传多样性来提高精确基因组定位的统计能力。通过定义特定于不同发育阶段的基因组调控区域的图谱，该资源有助于未来对神经发育障碍产生的发育和遗传背景的研究。作者发现，孕早期的大脑样本特别富含顺式调控元件，这突出了基因调控的动态性以及细胞内在和环境特异性效应之间潜在的相互作用。

Deng采用了一种互补的方法，通过在初级脑样本和类器官中应用大规模平行报告基因分析(MPRA)，结合深度学习来发现调控DNA序列，确定调控基因表达的基因组区域。作者建立了一个功能增强子目录和预测细胞类型特异性调控区域的计算模型。他们的研究还指出了先前鉴定的基因变异对增强子活性的影响，表明在8000个测试的变异中约有2%改变了基因表达。虽然这是一个相对较小的比例，但所提出的分析表明，这些遗传变异中的一些影响先前涉及神经精神疾病的基因的表达。例如，作者强调了一种可能改变T-box脑转录因子1 ( TBR1)，一种与自闭症谱系障碍相关的基因。虽然进一步的功能验证是必要的，但这种方法可以用于优先考虑疾病风险基因调控区域的变异，可能不仅包括因果变异，还包括保护性等位基因。

Emani建立了成人前额叶皮层中与基因表达相关的遗传资源，前额叶皮层是一个涉及复杂认知任务、决策和社会行为的大脑区域。为了解决在脑细胞的异质性和复杂性中识别基因调控区域的挑战，作者采用单细胞RNA测序并建立了brainSCOPE，这是一个旨在剖析成人大脑功能基因组景观的大型单细胞基因组资源。本研究利用单细胞分析来揭示大脑的细胞异质性，提供了不同细胞类型的基因表达和调控元件的颗粒视图。这种水平的细节对于理解遗传变异如何影响特定的细胞通路，从而促进神经疾病的表型是至关重要的。

近年来出现了大量以确定纠正致病突变为目标的治疗策略的研究，例如基于CRISPR的基因编辑。与此同时，人们正在努力开发针对大脑特定细胞类型的生物功能的药物。

这些研究提供人类大脑中基因调控区域和相关基因表达模式的概述，标志着神经遗传学向前迈出了实质性的一步。这种大规模的数据集和分析有助于将人类基因组与人类大脑的生物学联系起来，这对于解释与神经发育和神经精神疾病相关的遗传数据至关重要。了解这些功能有助于阐明个体遗传变异如何促进这些疾病的发生和发展。因此，这些分析为解释基因组测序数据提供了重要的资源，允许对哪些基因改变具有临床相关性或构成药物发现的有价值的起点做出更高的置信度决策。

鉴于染色质结构和基因组组织的复杂性，一个主要的挑战在于将基因调控区域与其靶基因联系起来。因此，人们对能够在复杂的大脑细胞中精确绘制增强子和基因之间联系的新方法产生了极大的兴趣。计算方法、发育生物学和单细胞图谱的结合可以帮助解开发育和成人大脑的遗传织锦。这些研究中提供的数据为研究人员提供了一种新的方法来分析、整合这些丰富的数据集并进行建模。

除了对基因表达的关注之外，从多个维度描绘同一样品中调控细胞状态——包括表观遗传标记和染色质谱、蛋白质水平、代谢状态和空间背景——是很有趣的。同时，目前的研究已经为功能研究提供了广泛的材料，以了解已确定的基因调控区域及其遗传变异如何影响脑相关性状。

总之，这三项研究强调了考虑生物环境(包括细胞类型和发育阶段)对人脑基因表达的遗传调控的影响的重要性。因此，这些发现强调了在解释神经疾病的遗传数据时需要一个发育的视角，这表明来自成人大脑研究的见解可能无法完全捕捉到源自子宫的疾病的遗传基础。最后，将基因变异与特定细胞类型和特定环境的调节作用联系起来的能力为分子靶向治疗创造了新的机会，使我们更接近精神病学的精准医学领域。