索尔克科学家开发出披露
大脑细胞的表观遗传特征

索尔克科学家开发出一种技术，可揭示大脑细胞的表观遗传特征

该方法允许在单细胞中同时研究基因调控的两个层面，这可能有助于阐明遗传变异如何影响人类疾病。

拉霍亚—大脑的前额叶皮层，它赋予我们解决问题和提前规划的能力，包含数十亿个细胞。但要理解这个关键区域中细胞类型的巨大多样性，每种细胞类型都具有独特的遗传和分子特性，一直是一个挑战。.

科学家们一直知道，这种多样性很大程度上源于表观遗传学（例如 DNA 上的化学标签）以及表观遗传特征如何在染色体中折叠，从而影响基因的表达。.

现在，萨克研究人员开发出一种方法，可以同时分析染色体及其表观遗传特征如何在单个人的大脑细胞中进行压缩。埃克尔实验室和迪克森实验室的科学家们组成的合作团队将两种不同的分析技术结合成一种方法，使他们能够识别不同细胞类型中的基因调控元件。这项工作发表在 自然方法 2019年9月9日，为理解一些细胞为何失调会导致疾病开辟了新途径。.

“我们采用了这种新的、更好的单细胞基因组分析方法，并将其应用于健康脑组织，”索尔克研究所教授、霍华德·休斯医学研究所研究员说道。 约瑟夫·埃克尔, ，基因组分析实验室主任、《柳叶刀》杂志的共同通讯作者。“下一步是比较正常和疾病组织。”

DNA在细胞核内被称为染色体的结构中的包装方式，对细胞功能起着至关重要的作用。DNA最终如何折叠取决于哪些DNA部分需要相互作用，以及哪些DNA部分需要易于被细胞机械设备访问。染色体的结构就像一种细胞指纹：尽管不同类型的细胞具有相同的DNA序列，但它们具有不同的染色体结构来组织DNA。.

同时，DNA本身的化学（表观遗传学）修饰——例如在DNA链上添加甲基——也控制着基因表达的时间和水平。当一个甲基附着在一段DNA上时，基因通常就会被阻止表达。.

过去，研究人员需要单独使用不同的方法来确定单个细胞的染色体结构和甲基化模式。例如，在七月份，Ecker 的团队报告称他们开发了一种新工具，能够 仅根据染色体结构区分细胞类型. 。在2017年，他们 根据甲基化模式对小鼠和人脑细胞进行排序.

然而，当单独进行实验时，研究人员无法确定染色体结构和甲基化模式之间可能存在的联系。尚不清楚染色体结构的每个子集是否对应于甲基化模式的每个子集。或者，当这两个数据集合并时，是否会揭示出更细微的细胞亚型。.

在他们的新方法，称为单核甲基-3C测序（sn-m3C-seq）中，Salk团队从每个单细胞中“双重利用”，同时收集染色体结构和甲基化数据。虽然手动进行此过程会很慢且笨拙，但该团队自动化了sn-m3C-seq，使他们能够轻松研究数千个细胞。处理细胞的新方法的开发，加上处理数据的新计算方法，使得这项新技术得以实现。.

该团队表示，开发一种检查单细胞中这些特征的方法，可以让科学家们使用某些“分析技巧”，直接研究组织样本，并解析组织中所有不同细胞类型的染色体结构和 DNA 甲基化。“我们知道这些特征在细胞类型之间可能差异很大，并且能够从同一细胞中同时获取这两种类型的信息非常有价值，” 杰西·迪克森, ，海姆斯利-索尔克研究员，也是共同通讯作者。“这极大地扩展了我们理解哪些调控序列在各种细胞类型和组织中影响哪些基因的能力。”

了解哪些调控序列调控哪些基因对于理解遗传变异如何导致人类疾病具有重要意义。例如，导致精神分裂症和抑郁症等常见人类脑部疾病以及心脏病等非脑部疾病的遗传变异，大部分位于我们基因组中远离基因的区域。研究人员表示，通过研究真实人体组织中的染色体折叠以及区分不同的细胞类型，这些方法可能使他们能够将致病基因变异与它们调控的基因联系起来，从而更深入地了解为什么某些变异会导致疾病，并为如何最佳治疗提供见解。.

为了测试 sn-m3C-seq，Ecker、Dixon 和同事们将该方法应用于 4200 多个成年人脑前额叶皮层细胞。虽然仅使用染色体结构数据只能粗略地区分神经元和非神经元，但结合这些方法使研究人员能够识别不同细胞类型中的基因调控元件，然后进一步研究每种细胞类型中存在的染色体结构。.

此外，研究小组还发现了这两种调控水平之间存在关联，并计划未来对此进行更深入的研究。既然方法已经建立，他们希望开始将其应用于更多类型的健康和疾病组织。.

推动这项工作的一个重要因素是迪克森和埃克尔于2019年9月6日获得的美国国立卫生研究院国家人类基因组研究所提供的400万美元赠款，这将极大地促进他们对人类组织和癌症等疾病中基因调控的研究。.

该论文的共同第一作者是Dong-Sung Lee、Chongyuan Luo和Jingtian Zhou，他们都来自Salk研究所。其他作者是Sahaana Chandran、Angeline Rivkin、Anna Bartlett、Joseph Nery、Conor Fitzpatrick和Carolyn O’Connor，他们也来自Salk研究所。.

这项工作以及所涉及的研究人员得到了霍华德·休斯医学研究所、美国国立卫生研究院的资助、莉奥娜·M·和哈里·B·赫尔姆斯利慈善信托基金以及萨尔克研究所创新研究基金的支持。.

DOI: 10.1038/s41592-019-0547-z