首个人胚胎端脑发育染色质可接近性图谱发布

来源：BioArt

增强子（enhancer）作为一种具有极高的序列多样性、组织特异性、及调控机制可塑性等特征的基因调控元件，通过控制决定细胞状态的基因表达谱，在机体发育及各种疾病发生中皆具有核心地位。不过，以增强子为核心的基因调控生物学的研究面临着诸多挑战，一方面，对增强子位置、激活程度和调控靶标的准确识别往往十分困难，由不同技术手段测得的增强子集合间重合度也很低；另一方面，增强子的激活在时间及空间层面上均表现出极高的特异性，因而对其全貌的描绘往往要求实验对象具有大样本尺度及丰富的时间进程差异。在众多高通量增强子识别方法中，对染色质全局开放性（chromatin accessibility）的检测（如ATAC-seq和DNase-seq）具有目标单一和明晰的特征，尽管不能与增强子的存在产生直接逻辑联系，但却往往较为简便而完整地间接描绘出全基因组的潜在增强子分布特征。尤其当对应样本的基因表达谱存在时，二者的整合分析便能够揭示出相当程度的以增强子为核心的调控关联。

近日，来自格拉斯通研究所（Gladstone Institute）和加州大学旧金山分校（UCSF）的John Ruberstein和Ketherine pollard课题组合作在Cell上发表了题为A Chromatin Accessibility Atlas of the Developing Human Telencephalon的研究，首次报道了以ATAC-seq技术为核心的，描绘人胚胎端脑发育过程中的染色质可接近性动态变化特征的全景图谱。

哺乳动物的中枢神经系统发育以多种功能差异极大的前体及成熟细胞类群的交叠更替为特征，是一个高度动态和复杂的生态系统。对这一过程中的细胞状态的形塑及其上游调控逻辑的鉴定，不仅能够使我们理解这一重要机体系统本身的形成路径，更有利于对神经系统相关疾病，如自闭症谱系障碍（ASD）等的发生机制的认知。考虑到神经系统疾病GWAS结果多指向基因组中非编码调控元件的重要性，作为基因调控核心元件的增强子便可能是十分关键的靶标。

在该项研究中，研究人员选取了跨越妊娠中期（mid-gestation）14到19周的人胚胎端脑中的六个脑区样本，分别利用ATAC-seq进行了染色质可接近性检测，共识别出具有统计显著性的13万个开放染色质区域（OCR）；其中仅有23%的区域在六个区域中共有，展现了染色质开放性在脑发育过程中较高的区域特异性。

为了在识别出OCR的基础上找到其中潜在的增强子元件，作者利用公共增强子注释数据库VISTA划分了是否具有脑组织特异性的增强子集合，然后使用ENCODE数据库中的相应增强子邻近的表观遗传特征（组蛋白结合、DNA甲基化等）和序列特征数据作为特征，建立了一个区分脑特异增强子元件的机器学习模型，最终从10万余个非启动子区域OCR中识别出近2万个增强子调控元件（pRE）。基于这跨越多脑区和发育阶段的2万个pRE，作者利用统计分析检测了其空间与时间动态变化特征，发现那些具有高度区域特异性的和随发育过程开放程度增强的元件的潜在调控靶标，显著富集于与神经系统成熟相关的基因，提示了这些元件的功能重要性。除此之外，作者还利用部分脑样本进行了单细胞基因表达测序（scRNA-seq）并识别出不同脑区之间的差异表达基因，并发现这些基因对应的染色质可接近性往往也具有非常显著的差异。

最后，为了系统地鉴定出与神经系统疾病发生相关的脑发育pRE，作者分析了一组大规模ASD患者全基因组测序（WGS）数据以搜索其中与pRE区域直接重合的基因组变异位点。在找到了与已知ASD相关基因SLC6A1附近的一个内含子区域pRE重合的ASD关联基因组变异之后，作者利用CRISPRa技术激活了该位点在小鼠皮质细胞中的同源位点，并观测到靶基因Slc6a1的表达水平显著升高，与直接激活其转录启动子达到接近效应，因此证明了该位点是控制SLC6A1表达的一个增强子。这一结果很好地将脑发育中的重要基因调控元件与神经系统疾病相关基因组变异联系了起来。