大腦皮層單個神經細胞的結構圖，分辨率20kb。圖片來源：謝曉亮課題組

哺乳動物的大腦各不相同，腦細胞數量也有差别：人約有1000億個腦神經細胞，狗約有5.3億個，而小鼠約有7000萬個……那麼，單個腦細胞的基因長什麼樣？它們的形狀和功能之間又有何關聯？

1月23日，一項刊發在《細胞》上的研究帶來了超過3000個哺乳動物腦細胞的轉錄組圖集和三維基因組圖集。這些數據可為神經發育及相關疾病的診療提供幫助。該研究由北京大學生物醫學前沿創新中心主任、中國科學院外籍院士謝曉亮帶領團隊完成。

結構決定功能

人類對生命的探索不止不休。

1953年，世界首個DNA模型問世，雙螺旋結構深入人心。2001年，人類基因組工作草圖問世，人類遺傳密碼的破譯程度前所未有。在基因組學成為生物學一大子領域的今天，科學家對“結構決定功能”這句話的理解愈發深刻：不隻是基因組序列，DNA分子本身的三維結構對單個細胞的功能也有重要影響。

但是，每個細胞的基因組結構都不盡相同，怎麼“看到”“摸清”它們？得益于不斷更新的技術手段，科學家已構建出哺乳動物單細胞基因組的三維結構——這項2018年發表在《科學》上的研究，作者之一正是謝曉亮。

該成果的發表得益于一系列技術，其中一項新技術——單細胞染色質構象捕獲技術（Dip-C）起到了關鍵作用。

當時，謝曉亮團隊的博士後成員譚隆志參與了相關技術的開發工作。而本次發表在《細胞》上的新成果，就是憑借Dip-C等技術獲得的。

“過去的技術無法測量單細胞的三維基因組結構，此前也沒有哺乳動物大腦産後發育的單細胞數據。”論文第一作者、斯坦福大學生物工程系博士後譚隆志告訴《中國科學報》。

不斷精進的單細胞測序技術

2012年，謝曉亮課題組推出單細胞全基因組均勻擴增的新方法——多重退火循環擴增法（MALBAC），大幅提高了單細胞測序的通量和精準度。

“MALBAC是一項非常獨特的、創新的單細胞測序技術。”譚隆志表示，該技術從設計層面入手，注重提升擴增均一性，能夠靈敏、準确地測量單細胞中含量極少的DNA和RNA。

這之後，該課題組一直緻力于開發高精度的單細胞測序方法。2017年，謝曉亮和同組的陳崇毅、邢棟、譚隆志、李恒等人采用RNA而非DNA拷貝來擴增基因組，推出的單細胞基因組線性擴增（LIANTI）進一步提升了測序的均一性和準确性。

從生物體角度來看，人類、相當一部分高等動物都是二倍體。但基因組學誕生後的很長一段時間裡，單個二倍體細胞的結構測量無法實現。2018年，為了将研究範圍從單倍體拓展到二倍體，課題組開發了Dip-C技術。人類的46條染色體平分為2套，套内的23條染色體分别來源于父母，這之中的序列相似度高達99.9%，差異非常細微，但通過Dip-C技術，研究者可以對兩套染色體進行區分。

“迄今為止，Dip-C仍然是測量單個二倍體細胞高分辨率3D全基因組結構的唯一方法。”譚隆志表示。

随着測序技術的不斷精進，相關的研究發現也越來越多。比如作為細胞“大腦”的細胞核，其内部的染色質在細胞特異性基因表達中發揮着重要作用——視覺和嗅覺都與高度專門化的功能神經元密切相關，而這些神經元的基因組有着獨特的三維結構，很可能決定着相應的功能。

本次新發表的研究中，謝曉亮等人用到了MALBAC技術的升級版：MALBAC-DT（數字轉錄組學）。進一步提高靈敏度和準确度後，課題組首次得到了哺乳動物大腦在産後發育過程中的單細胞轉錄組圖譜，具體數量為3517個。而借助Dip-C技術，他們完成了3646個三維基因組結構圖集。

向理解腦内神經發育更進一步

根據這些數據，他們得到不少有趣的發現。比如小鼠出生後，大量基因被動态表達，從而形成初生、成年兩個基因表達模組。“這說明初生與成年大腦在基因表達上有巨大差異，并可能影響大腦認知功能的形成。”譚隆志表示。

而将三維基因組圖集和轉錄組圖集結合起來看，譚隆志等人發現，小鼠出生後一個月内，其大腦在三維結構和轉錄組層面都有變動，這意味着大腦的确在分子層面發生了轉化。

“這一轉化恰好發生在大腦開始接收外界感官刺激的時期，即小鼠出生後第一個月。”譚隆志說。

那麼，這些分子層面的變化是由外界感官刺激引起的嗎？

針對這一問題，課題組從視覺研究入手，将出生的小鼠飼養于黑暗環境中，避免其受到視覺刺激。但他們發現，這些“暗中飼養”的小鼠視覺皮層的三維基因組和轉錄組轉化幾乎都不受後天影響，因此答案是否定的。

另一個有趣的發現是，先前研究中，譚隆志與謝曉亮等人發現嗅覺細胞的基因組内有獨特的内移現象：很多平時處在細胞核表面的基因區域，會在神經細胞分化時大幅移向細胞核内部。而這種現象對嗅覺受體調控有重要作用。

而在本次發表的研究中，課題組發現這種内移現象同樣存在于大腦的各種神經細胞中，大約發生在小鼠出生後的一個月内。“這一發現表明，中樞與周圍神經細胞系在三維基因組結構方面可能共享某些特殊通路，未來可以深入研究。”譚隆志說。

接下來，課題組還會拓展現有技術的應用範圍，并繼續開發測序新方法。譚隆志表示，他們将進一步測量單個細胞的三維基因組結構、轉錄組或其他組，“生物方面，我們将測量更多器官、更多年齡的更多細胞，更全面地解釋哺乳動物發育的分子原理”。（任芳言）

來源： 《中國科學報》

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