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Nature Biotechnology:解密大脑“天书”!ScISOr-ATAC技术,同时窃听细胞内部的“三重宇宙”

来源:生物探索 2025-07-28 09:41

研究人员开发出一项名为ScISOr-ATAC的巧妙技术,它能像一位全能侦探,潜入单个脑细胞内部,同时窃听三个核心层面的秘密对话,为我们揭示了一幅前所未有的、关于大脑功能、进化和疾病的壮丽图景。

我们的大脑,是已知宇宙中最复杂的结构。它由近千亿个神经元细胞组成,每一个细胞都像一座微型城市,拥有自己独特的“图书馆”、“生产线”和“编辑部”。长久以来,我们对这座“城市”的理解,往往是片面的。我们可能知道图书馆里有哪些书,或者生产线在制造什么,但很难将它们联系起来。

7月22日,《Nature Biotechnology》上发表的一项开创性研究“Combined single-cell profiling of chromatin–transcriptome and splicing across brain cell types, regions and disease state”,为我们提供了一把前所未有的钥匙。研究人员开发出一项名为ScISOr-ATAC的巧妙技术,它能像一位全能侦探,潜入单个脑细胞内部,同时窃听三个核心层面的秘密对话,为我们揭示了一幅前所未有的、关于大脑功能、进化和疾病的壮丽图景。

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细胞的“三重宇宙”:一本打开的书,一份复印稿和一位挑剔的编辑

要理解这项研究的颠覆性,我们首先来了解下每个细胞内部都在上演着怎样的“大戏”。这场大戏的主角,是我们的基因。但基因的命运,远非“存在即表达”这么简单。它至少受到三个层面复杂而精准的调控,可以称之为细胞的“三重宇宙”。

第一重宇宙:染色质可及性 (Chromatin Accessibility) —— 基因组的“活页图书馆”

想象一下,我们每个细胞的细胞核里都有一座巨大的图书馆,馆藏着我们全部的基因组DNA。但这些书(基因)并不是随意摆放的,它们被紧密地缠绕在一种叫做组蛋白的蛋白质上,形成了染色质 (chromatin)。在大多数时候,大部分书架都是“锁死”的,书本被紧紧包裹,无法阅读。这就是“关闭”的染色质 (closed chromatin)。而当某个基因需要被使用时,包裹它的染色质结构就会像变魔术一样松散开来,让这本书暴露出来,可以被“阅读”。这就是“开放”的染色质 (open chromatin),或者说,它具有了可及性 (accessibility)。所以,染色质可及性就像是图书馆管理员,它决定了哪些书在特定时间可以被借阅。这是基因调控的第一道关卡,也是最基础的关卡。

第二重宇宙:基因表达 (Gene Expression) —— “复印”基因指令

当一本书被允许借阅后,细胞就会派“复印机”——RNA聚合酶——前来工作。它会以DNA为模板,“复印”出一份份信使RNA (mRNA) 的副本。这个过程就是转录 (transcription),也就是我们常说的基因表达。这份mRNA副本,携带了制造蛋白质的指令,将从细胞核奔赴细胞质,指导蛋白质的合成。基因表达的水平,即mRNA的多少,直接关系到相应蛋白质的产量。因此,这是调控的第二道关卡,决定了基因“声音”的大小。

第三重宇宙:可变剪接 (Alternative Splicing) —— 对复印稿的“精妙编辑”

故事到这里还没完。从DNA复印出来的mRNA初稿,其实是一份“草稿”,里面既有包含有效信息的外显子 (exon),也夹杂着大量“无用”的“废话”——内含子 (intron)。在mRNA离开细胞核之前,一位技艺高超的“编辑”——剪接体——会闪亮登场。它会精准地切掉所有内含子,然后将外显子拼接在一起,形成一份最终的、可以指导蛋白质合成的“定稿”。这个过程叫做剪接 (splicing)。

而最奇妙的地方在于,这位“编辑”非常有创造力。对于同一个基因的mRNA草稿,它可以用不同的方式拼接外显子。比如,一个含有三个外显子(1, 2, 3)的基因,它可以拼接成“1-2-3”,也可以跳过一个,拼接成“1-3”。这种现象,就是可变剪接 (alternative splicing)。这意味着,同一个基因,可以通过不同的剪接方式,产生多种不同版本的蛋白质,就像用同样的乐高积木,可以拼出汽车,也可以拼出飞机。这极大地丰富了我们基因组的功能多样性,尤其是在大脑这样复杂的器官中,可变剪接扮演着至关重要的角色。

过去,研究人员通常只能在单个细胞中窥探这“三重宇宙”中的一重或两重。而这项新研究的ScISOr-ATAC技术,首次实现了在同一个细胞内,同时捕获这三个层面的信息。它就像给我们配备了一副“多焦AR眼镜”,让我们能以前所未有的清晰度,观察脑细胞内部的立体世界。

大脑的“地域之谜”:PFC与视觉皮层,神经元的“术业有专攻”

我们的大脑并非铁板一块,而是划分了不同的功能区域。比如,前额叶皮层 (Prefrontal Cortex, PFC) 负责我们的高级认知、决策和思考,堪称“大脑CEO”;而视觉皮层 (Visual Cortex, VIS) 则专门处理视觉信息。这两个区域的神经元,虽然可能属于同一种大的“家族”,但它们的功能却天差地别。这种差异是如何产生的呢?研究人员利用ScISOr-ATAC技术,对恒河猴的PFC和视觉皮层进行了比较,结果令人大开眼界。他们发现,不同的神经元亚型,竟然采用了完全不同的策略来实现“地域特化”。

染色质的“特化大师”:L2-L4 IT_CUX2.RORB 神经元

在一种名为L2-L4 IT_CUX2.RORB的兴奋性神经元中,研究人员观察到了剧烈的染色质可及性变化。在视觉皮层中,这些细胞的“基因组图书馆”有大量独特的“开放区域”,而在PFC中这些区域则是关闭的。一个典型的例子是RCL1基因附近的一个区域,它在视觉皮层的这类神经元中高度开放,但在PFC的同类神经元中却几乎完全关闭。通过下采样分析(一种确保统计功效公平的计算方法),研究人员证实,在所有比较的神经元中,L2-L4 IT_CUX2.RORB细胞在两个脑区之间的染色质差异是最显著的。这意味着,这类神经元主要通过调控“哪些基因可以被阅读”这一最底层的开关,来塑造自己的地域身份。它们就像是拥有两套不同“馆藏开放目录”的图书馆。

可变剪接的“特化鬼才”:L3-L5/L6 IT_RORB 神经元

然而,在另一类名为L3-L5/L6 IT_RORB的兴奋性神经元中,情况却截然不同。它们在两个脑区之间的染色质差异并不突出,反而在可变剪接上玩出了花。下采样分析的数据清晰地表明,这类神经元在PFC和视觉皮层之间的剪接模式差异是所有细胞类型中最强的。一个惊人的例子是DNA聚合酶ν (POLN) 基因。在PFC的这类神经元中,它的两个特定外显子几乎总是被“剪掉”,不参与最终的蛋白质合成。但在视觉皮层的同类细胞中,这两个外显子却被稳稳地“拼接”了进去,包含它们的mRNA比例高达78%和80%。

这个发现颠覆了我们以往的认知。它告诉我们,大脑的区域特化并非遵循单一的法则。不同的神经元亚型,就像是各有绝活的工匠,有的擅长从源头(染色质)控制蓝图,有的则精于在最终装配(剪接)时进行改造。这种“各显神通”的模式,或许正是大脑能够构建出如此精细复杂功能分区的基础。

细胞的“四种状态”:基因活性与剪接模式的意外联动

这项研究还引入了一个更加深刻的概念——细胞的四种“状态”。研究人员发现,基因的转录(表达)与染色质的开放/关闭并非总是同步的,它们之间的关系可以分为四种状态:

1. 启动 (Priming):染色质已经打开,但基因还没开始转录。就像书已经摊开,但还没人来复印。

2. 耦合开启 (Coupled-on):染色质是开放的,基因正在活跃地转录。书摊开着,复印机在疯狂工作。

3. 解耦 (Decoupled):基因转录已经停止,但染色质还没来得及关闭。复印机停了,但书还摊在桌上。

4. 耦合关闭 (Coupled-off):染色质是关闭的,基因也不转录。书合着,复印机也关着。

这四种状态描绘了基因活性的一个完整周期。而最令人惊讶的发现是:一个基因的剪接方式,会因为其所处的“状态”不同而改变。这意味着,即使在完全相同的细胞类型中,同一个基因,当它处于“启动”状态时,其剪接结果可能与它处于“耦合开启”状态时截然不同。研究人员在PFC和视觉皮层中分析了成千上万个外显子,发现大量外显子的包含与否,与基因所处的这四种状态显著相关。这是一个隐藏得极深的调控层面。它提醒我们,在分析基因功能时,不能仅仅把它看作一个静态的开关,还必须考虑它所处的动态“活性周期”。这就像理解一个人的行为,不仅要知道他在做什么,还要知道他正处于“准备做”、“正在做”还是“刚做完”的哪个阶段。

物种间的“进化悄悄话”:人与猴,大脑各自升级了什么?

恒河猴是研究人类大脑的常用模型,因为我们拥有共同的祖先。但人类大脑毕竟是独特的。那么,在从猴到人的演化过程中,大脑的细胞各自悄悄“升级”了哪些部件呢?ScISOr-ATAC技术为我们提供了一个前所未有的视角来回答这个问题。研究人员比较了人类和恒河猴的PFC。结果再次展示了“具体问题具体分析”的重要性——进化这位“工程师”,在改造不同细胞时,使用的工具箱是完全不同的。

星形胶质细胞 (Astrocytes) 的故事:染色质的剧变,剪接的保守

星形胶质细胞是大脑中的“后勤部长”,负责支持神经元、维持环境稳定等。比较发现,人类与猴的星形胶质细胞,在染色质可及性上表现出巨大的差异。下采样分析显示,在所有细胞类型中,星形胶质细胞的物种间染色质差异最为显著。例如,在一个名为TRRAP的基因内部,研究人员发现了一个只在人类星形胶质细胞中开放的染色质区域,在猴的细胞中则是关闭的。然而,令人意想不到的是,尽管“基因图书馆”的开放目录改动如此之大,这些细胞的可变剪接模式却惊人地相似和保守。

抑制性神经元的故事:剪接的革新,染色质的稳定

与星形胶质细胞形成鲜明对比的是抑制性神经元 (inhibitory neurons)。这类细胞的染色质图谱在人与猴之间相对保守。但是,它们的可变剪接模式却发生了翻天覆地的变化。数据显示,抑制性神经元是所有细胞中,物种间剪接差异最大的。一个教科书级别的例子是NUBP2基因的一个外显子。在恒河猴的兴奋性神经元中,这个外显子被包含的比例高达91%。然而到了人类,这个比例骤降至16%!这意味着,在漫长的进化中,人类大脑中的NUBP2基因很可能产生了一种功能与猴脑中截然不同的蛋白质。

这个发现意义非凡。它告诉我们,一个分子层面(如染色质)的巨大进化差异,并不必然意味着另一个层面(如剪接)也有巨大差异。进化在塑造不同细胞时,展现了惊人的灵活性和特异性。它可能在星形胶质细胞上主要“更新了操作系统”(改变染色质),而在神经元上则主要“重写了应用软件”(改变剪接)。这种策略性的、因“细胞”而异的进化路径,可能是人类大脑获得独特认知能力的关键所在。

阿尔茨海默病(AD)的“罪魁祸首”:聚光灯下的胶质细胞

阿尔茨海默病 (Alzheimer's disease, AD) 是一种毁灭性的神经退行性疾病。过去的研究大多聚焦于神经元的死亡。但大脑中还有另一群庞大而重要的细胞——胶质细胞 (glial cells),包括前面提到的星形胶质细胞,以及负责形成髓鞘、为神经信号“绝缘”的少突胶质细胞 (oligodendrocytes)。它们在AD中扮演了什么角色?利用ScISOr-ATAC,研究人员比较了AD患者和健康对照组的PFC样本,得出了一个清晰而有力的结论:在AD中,胶质细胞,尤其是少突胶质细胞,才是分子层面发生剧烈动荡的“重灾区”。

少突胶质细胞:染色质与剪接的双重崩溃

数据显示,在AD患者大脑中,少突胶质细胞的可变剪接失调程度是所有细胞类型中最高的。一个触目惊心的例子是ZNF711基因,它与智力发育有关。在健康人的少突胶质细胞中,它的一个关键外显子被稳定包含。但在AD患者的同类细胞中,这个外显子的包含率狂降了42%。这种剧烈的剪接错误,无疑会严重影响该细胞的正常功能。不仅如此,少突胶质细胞的染色质也出现了广泛的失调。尽管从绝对数量上看,星形胶质细胞的染色质变化最多,但少突日志细胞的变化同样不容忽视。这表明,在AD的病理过程中,这些负责“绝缘”的细胞,其内部的基因调控网络正在经历“染色质”和“剪接”两个层面的双重打击。

星形胶质细胞:被严重扰乱的“基因图书馆”

研究人员还发现,AD患者的星形胶质细胞,其染色质可及性发生了大规模的改变。下采样分析证实,星形胶质细胞是AD中染色质失调最严重的细胞。例如,在一个名为FMNL2的基因附近,一个在健康星形胶质细胞中清晰可见的开放染色质峰,在AD患者中几乎完全消失了。这就像图书馆里的一大片区域被莫名其妙地永久封锁了。

相比之下,无论是兴奋性还是抑制性神经元,在AD中表现出的分子变化都远不及胶质细胞那么剧烈。这并不是说神经元没有受损(它们最终会大量死亡),而是在分子调控的层面,胶质细胞,特别是少突胶质细胞和星形胶质细胞,可能是最早、最剧烈响应病理变化的细胞群体。这一发现,无疑将为AD的治疗提供了全新的靶点和思路。与其拼命“拯救”已经濒临死亡的神经元,或许从稳定和修复这些“后勤”与“绝缘”细胞入手,会是一条更有效的道路。

一扇通往新世界的大门

这项发表于《自然-生物技术》的研究,不仅仅是展示了一项名为ScISOr-ATAC的新技术,更是通过这项技术,为我们描绘了一幅关于大脑生命活动的、前所未有的全景画卷。从脑区功能的特化,到物种间的进化差异,再到阿尔茨海默病的病理机制,这项研究反复向我们传达着一个核心信息:特异性 (specificity)。

生物学的法则并非放之四海而皆准。在不同的细胞类型、不同的脑区、不同的物种、不同的健康状态下,生命调控的“剧本”都在发生着微妙而关键的变化。染色质、转录和剪接这“三重宇宙”,它们之间的关系时而协同,时而独立,共同谱写了生命复杂性的壮丽诗篇。

ScISOr-ATAC技术为我们打开了一扇门,门后是一个更加精细、更加动态、也更加真实的细胞世界。在这扇门背后,我们或许能找到解开大脑之谜、战胜神经系统疾病的终极答案。而这,仅仅是一个开始。

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