揭秘大脑发育的秘密！Nature：科学家首次成功绘制出发育中人类大脑的DNA修饰蓝图

人类的海马体和前额叶皮层在学习和认知过程中扮演着至关重要的角色，但其发育的动态分子特征一直是个谜。

近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“Temporally distinct 3D multi-omic dynamics in the developing human brain”的研究报告中，来自加利福尼亚大学等机构的科学家们首次揭示了人类大脑发育过程中基因调节的进化分子机制，特别是染色质（DNA和蛋白质）的3D结构在其中的关键作用。这项研究为理解早期大脑发育如何塑造终身心理健康提供了新的见解。

海马体和前额叶皮层是大脑中负责学习、记忆和情绪调节的重要区域，这些区域也常常与自闭症和精神分裂症等疾病有关。科学家们希望通过研究这些区域的发育过程，找到预防和治疗这些疾病的新方法。

在本研究中，研究人员首次绘制出了海马体和前额叶皮层的DNA修饰图谱。为了完成这一壮举，他们使用了一种尖端的测序技术——单核甲基测序和染色质构象捕获技术（snm3C-seq）。这一技术允许他们同时分析控制单细胞基因表达的两种表观遗传学标记：DNA甲基化和染色质构象。染色质构象揭示了染色体如何在细胞核内折叠成3D结构，这对于基因的表达和调控至关重要。

研究者Luo博士表示：“神经精神性疾病，即使是那些在成年期出现的疾病，往往源于早期大脑发育中的遗传因素。我们绘制的图谱提供了一个基线，可以用来对比受疾病影响的大脑的基因相关研究，并确定分子变化发生的时间和地点。”

科学家首次成功绘制出发育中人类大脑的DNA修饰蓝图

图片来源：Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-08030-7

研究人员通过在线平台公开了他们的数据资源，这将为科学家们提供一个宝贵的工具，帮助他们将与这些疾病相关的基因突变与其影响的基因、细胞和发育时期联系起来。例如，自闭症谱系障碍通常在2岁及以上的儿童中诊断出来，但如果能深入了解其遗传风险及其对发育的影响，科学家们或许能开发出新的干预措施，帮助减缓自闭症的症状，如大脑发育期间的沟通障碍。

此外，研究人员还分析了从妊娠中期到成年期超过5.3万名捐赠者的大脑细胞，揭示了关键发育窗口期间基因调节的明显改变。特别是在怀孕中期，这一时期被称为放射状胶质细胞的神经干细胞会停止产生神经元，并开始产生支持和保护神经元的胶质细胞。同时，新形成的神经元会成熟并获得特定的功能，形成促进神经元交流的突触连接。

Paredes教授表示：“我们的研究解决了通常被忽略的年龄段（妊娠晚期和婴儿期）的发育中的人类大脑中DNA组织和基因之间的复杂关联。基于这些研究结果，我们已经识别出了不同细胞类型之间的关联，并能解决在识别神经发育和神经精神性疾病遗传风险因素方面所面临的挑战。”

综上，这项研究不仅为理解大脑发育提供了新的视角，还对改进基于干细胞的模型具有重要意义，如用于研究大脑发育和疾病的大脑类器官。研究人员绘制的图谱可以为科学家们提供一个基准，确保这些模型能准确复制人类的大脑发育。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Heffel, M.G., Zhou, J., Zhang, Y. et al. Temporally distinct 3D multi-omic dynamics in the developing human brain. Nature (2024). doi：10.1038/s41586-024-08030-7