人类特异性短串联重复序列扩增与神经元特异性调控特征的关联研究

本研究通过分析174个灵长类单倍体基因组，首次系统鉴定了8813个人类特异性扩增短串联重复序列(heSTRs)，揭示其与脑神经元远端调控信号、染色质可及性增强及神经发育相关基因的关联，为理解人类认知进化及神经精神疾病提供了新视角。

　　

在探索人类与其他灵长类动物表型差异的遗传基础时，科学家们长期关注蛋白质编码序列的变异。然而，人类与非人灵长类动物(NHP)的氨基酸序列差异极小，这使得调控突变的进化意义日益凸显。此前研究已发现人类加速区域(HAR)和人类祖先快速进化区域(HAQER)等非编码调控元件与神经功能相关，但占基因组3%的短串联重复序列(STR)在人类特异性进化中的作用仍属空白。这类1-6碱基对的重复单元具有超高突变率，其拷贝数变异(CNV)不仅与脆性X综合征、亨廷顿舞蹈症等神经疾病相关，还可能通过调控基因表达影响物种分化。

为系统解析STR在人类进化中的角色，研究人员整合148个人类及26个非人灵长类单倍体基因组数据，采用第三代测序技术进行STR基因分型。通过创新性设计"非人灵长类保守STR(ncSTR)"筛选体系，结合跨物种拷贝数分布统计检验，最终锁定8813个显著扩增的人类特异性STR(heSTR)。研究团队进一步整合ENCODE计划的多组学数据，运用染色质构象捕获(Hi-C)、单细胞转座酶可及染色质测序(scATAC-seq)等技术，构建了heSTR调控网络与表型关联的全景图谱。

人类基因组中heSTR的鉴定与特征
分析显示heSTR中位长度较NHP增加12bp，(AC)_n motif富集程度达2.07倍。不同于普通STR在启动子区的富集，heSTR更倾向分布于内含子区，且与L1/Alu转座元件侧翼序列显著共定位。值得注意的是，heSTR与已知加速进化区域HAQER的交叉验证支持其进化重要性。

heSTR与神经元特异性调控特征的关联
ENCODE数据揭示heSTR显著富集于远端增强子样特征(dELS)，尤其在脑组织DNase超敏感位点(DHS)中富集1.4倍。通过7种组织的拓扑关联域分析发现，含有heSTR的最内层TAD(ihTAD)在神经元中呈现更高的染色质互作频率，且与神经元特异性染色质环显著相关。

heSTR潜在靶基因的功能与表达模式
通过三维基因组学界定三类调控基因：共定位基因(RBC)、环化调控基因(RBL)和TAD调控基因(RBT)。其中2297个多机制调控基因(RBM)在"神经元突触形成"等通路显著富集，且在前扣带回皮层兴奋性神经元中呈现人类特异性高表达。典型案例如钾通道基因KCNJ6受7个heSTR通过染色质环调控，其表达量在人类大脑类器官发育后期显著高于黑猩猩。

heSTR的分子调控机制
单细胞可及性分析显示，heSTR在神经元而非前体细胞中呈现人类特异性染色质开放。侧翼序列分析鉴定出174个偏好结合heSTR的转录因子(TF)，包括调控神经发生的视黄酸受体γ(RARγ)。这些TF结合位点在人类基因组中的富集程度显著高于NHP。

heSTR与疾病及群体变异的关联
heSTR与精神分裂症/自闭症队列中罕见扩增STR存在4.25倍重叠，如自闭症风险基因HIVEP2上游的heSTR。群体数据分析显示heSTR在表达相关STR(eSTR)中富集1.89倍，但同时也受到更强选择压力(gnomAD Gnocchi评分更高)。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究首次建立人类特异性STR扩增与神经进化的分子联系。其创新性体现在：1) 构建跨物种STR进化分析新范式；2) 揭示STR通过三维基因组调控神经基因表达的新机制；3) 为神经精神疾病的STR致病假说提供进化证据。未来研究可进一步探索heSTR在个体发育中的动态调控，以及其与神经可塑性的关系。该成果不仅拓展了对非编码基因组进化的认知，也为疾病风险STR的优先筛选提供了进化维度的重要参考。