三维基因组架构揭示精神分裂症风险的神经元亚型特异性调控机制

《Molecular Psychiatry》：3D genetic architecture of schizophrenia risk across three neuronal subtypes

本研究通过绘制人多巴胺能、GABA能和谷氨酸能神经元的三维染色质构象，揭示了精神分裂症风险位点在神经发育过程中的动态调控规律。研究人员发现神经元特异性染色质条纹和染色质环是连接远端风险位点与靶基因的重要结构基础，并利用CRISPR介导的SunCLOUD9技术功能验证了SNAP91和BHLHE22基因环在调控神经元形态和功能中的关键作用，为精神分裂症的病因学研究提供了新的视角。

　　

精神分裂症作为一种复杂的精神疾病，其遗传机制一直是研究的热点。全基因组关联研究（GWAS）已鉴定出数百个与精神分裂症风险相关的常见遗传变异，但这些变异绝大多数位于非编码区域，如何解析这些非编码变异影响疾病风险的分子机制成为了领域内的关键挑战。越来越多的证据表明，三维基因组结构在基因调控中发挥着重要作用，而精神分裂症风险位点在大脑的三维基因组结构中显著富集。然而，由于不同神经元亚型具有特异性的染色质组织结构，解析精神分裂症风险变异在特定神经元类型中的调控机制对于理解疾病病因至关重要。

为了系统揭示精神分裂症风险的细胞类型特异性三维遗传架构，研究人员在《Molecular Psychiatry》上发表了最新研究成果。该研究利用人多能干细胞（iPSC）分化的诱导多巴胺能神经元（iDOPA）、GABA能神经元（iGABA）和谷氨酸能神经元（iGLUT），结合高通量染色体构象捕获（Hi-C）技术，绘制了三种主要神经元亚型的三维基因组图谱，并深入分析了精神分裂症风险位点在神经发育过程中的动态变化规律。

本研究主要采用了以下几项关键技术：通过Hi-C技术构建hiPSC和三种神经元亚型的高分辨率三维基因组图谱；利用Stripenn算法识别染色质架构条纹；通过Peakachu机器学习方法检测染色质环；开发并应用SunCLOUD9（基于CRISPR-dCas9的染色质环重组系统）进行功能验证；使用多电极阵列（MEA）记录神经元电活动。研究使用的hiPSC系来源于一个已建立的队列，可通过公共资源库获取。

大规模抑制性区室化在hiPSC向神经元转化过程中避开精神分裂症风险位点

研究发现，hiPSC向神经元分化过程中发生了大规模的染色质区室转换，主要表现为活性A区室向非活性B区室的转换（12.6-14.7%的基因组序列），而仅有少量区域（2.5-3.4%）从B区室转换为A区室。这种区室转换与基因表达变化显著相关，转换为活性A区室的区域富集于神经元发育相关基因，而转换为非活性B区室的区域则富集于细胞周期和DNA复制相关基因。值得注意的是，精神分裂症风险基因和单核苷酸多态性（SNP）在神经元分化过程中被抑制的区室中显著减少，反而富集于在iGLUT和iGABA神经元中被激活的区室以及神经元亚型特异性A区室中。

风险相关条纹与脑特异性超级增强子重叠于发育调控基因表达和精神分裂症遗传风险位点

研究鉴定出217个iDOPA特异性、575个iGABA特异性和193个iGLUT特异性染色质架构条纹。神经元特异性条纹显著富集于精神分裂症GWAS SNP，且与脑特异性超级增强子区域重叠。这些条纹作为复杂的细胞类型特异性染色质环结构的枢纽，其相互作用频率与基因表达呈正相关。一个位于精神分裂症风险基因SNAP91下游的hiPSC特异性条纹，在神经元中转变为与上游远端区域形成特异性相互作用的环状结构。

神经元染色质环富集于胎儿脑增强子并连接精神分裂症风险位点与基因

研究人员检测到39，963个独特的染色质环，其中神经元特异性环显著富集于神经元特异性条纹内。通过区分"风险基因连接环"（连接已确立风险基因与远端非编码序列）和"风险位点连接基因环"（连接风险位点与潜在新风险基因），研究发现基于线性邻近性和三维空间映射的风险基因富集于不同的生物学过程：前者与神经传递相关，后者则主要与同型细胞粘附（主要由原钙粘蛋白基因家族驱动）相关。iGABA特异性环还显著富集于精神分裂症风险基因和胎儿脑特异性增强子。

实验靶向涉及精神分裂症风险位点的染色质环

研究应用SunCLOUD9技术对选定的染色质环进行功能验证。靶向iGABA神经元特异的SNAP91风险基因连接环（距离启动子约150kb的上游区域）导致iGLUT神经元中SNAP91表达降低约25%，并引起神经元形态变化（神经突总长度减少和分支点密度降低）和电活动异常（加权平均放电率增加受阻、网络同步性降低）。相反，靶向连接风险位点rs10957321与BHLHE22基因的风险位点连接环，使BHLHE22表达增加约80%，并改变神经元形态（神经突数量增加但长度和分支减少）和网络活动（爆发活动百分比降低但同步性增加更快）。

该研究通过构建三种主要神经元亚型的三维基因组图谱，系统揭示了精神分裂症风险位点在神经发育过程中的动态调控规律。研究发现大规模染色质区室重组在神经元分化过程中避开了精神分裂症风险位点，而新出现的神经元特异性染色质条纹和染色质环则作为连接风险变异与靶基因的重要结构基础。特别值得注意的是，基于三维基因组结构鉴定的风险基因（如原钙粘蛋白家族成员）与基于线性邻近性鉴定的风险基因富集于不同的生物学通路，提示三维基因组学可揭示传统方法难以发现的疾病相关基因。

研究首次在人类神经元中应用CRISPR介导的染色质环靶向技术，功能验证了特定染色质环在调控基因表达和神经元表型中的因果关系。针对SNAP91和BHLHE22环的实验表明，改变染色质三维结构足以引起基因表达变化和神经元功能异常，为理解非编码风险变异影响神经发育和功能的机制提供了直接证据。这些发现不仅拓展了对精神分裂症遗传架构的认识，也为发展针对特定神经元类型和环结构的干预策略奠定了基础。

研究的局限性包括数据质量和测序深度限制了检测神经元亚型特异性染色质结构的敏感性，以及SunCLOUD9实验中未能直接通过位点特异性染色体构象捕获（3C）证实环的形成。未来研究需要结合高通量单细胞多组学技术和病例对照三维基因组分析，进一步揭示精神分裂症中细胞类型特异性的染色质结构变异及其功能影响。