人類大腦的電路包含1000多億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元通過成千上萬的突觸連接跟其他神經(jīng)元相連進(jìn)而形成了一個三磅重的器官，其復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其無數(shù)部分的總和。然而近年來，成像、測序和計算技術(shù)的變革性進(jìn)展為真正以分子和細(xì)胞成分的分辨率繪制人腦圖提供了可能。

雖然這一最終目標(biāo)仍有待實現(xiàn)，但研究人員已經(jīng)穩(wěn)步推進(jìn)了一項規(guī)模較小但同樣重要的工作：繪制小鼠大腦圖譜。

在《自然》的一個特刊中，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員跟全美各地的同事一起在論文集中描述了他們的進(jìn)展。其中兩篇由加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家擔(dān)任高級作者的論文，其進(jìn)一步完善了小鼠大腦關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞組織，更關(guān)鍵的是，完善了為這些腦細(xì)胞提供功能和目的的轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組和調(diào)節(jié)因素的組織。

表觀基因組學(xué)中心主任、加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院細(xì)胞和分子醫(yī)學(xué)教授、加州大學(xué)圣地亞哥分校路德維希癌癥研究所成員Bing Ren博士表示：“為了真正了解大腦的功能并從這些知識中開發(fā)新的藥物和療法來改善人類的生活和健康，我們需要看到并量化大腦的結(jié)構(gòu)、組織和功能，直至單細(xì)胞水平。”

計算神經(jīng)DNA動力學(xué)實驗室主任、加州大學(xué)圣地亞哥分校認(rèn)知科學(xué)系副教授Eran A. Mukamel博士對此也表示同意，他說道：“深度和特異性是至關(guān)重要的。我們想要一個全面的大腦零件清單，不僅包括神經(jīng)元的位置和連接，還包括賦予它們專門身份的分子和表觀遺傳指紋。”

基因調(diào)控元素

自2006年以來，國際上一直在努力創(chuàng)建一個小鼠大腦的三維圖譜，小鼠大腦約有豌豆那么大，由約800萬到1400萬個神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞組成。盡管小鼠大腦不是人類大腦的縮影，但它已被證明是研究許多人類大腦功能、疾病和精神障礙的強大模型，部分原因是負(fù)責(zé)構(gòu)建和操作人類和嚙齒動物器官的基因有90%是相同的。

據(jù)悉，研究論文資深作者Ren、同事和表觀基因組學(xué)中心的合作者專注于創(chuàng)建小鼠大腦中的基因調(diào)控元素圖譜。小鼠大腦是進(jìn)化過程中最年輕的區(qū)域，支持高級感官知覺、運動控制和認(rèn)知功能。

最近對小鼠和人類大腦的調(diào)查顯示雖然，大腦包含數(shù)百種分布在不同區(qū)域的神經(jīng)細(xì)胞類型，但轉(zhuǎn)錄調(diào)控程序--負(fù)責(zé)每個細(xì)胞的獨特基因表達(dá)模式的方向以及由此產(chǎn)生的身份和功能--仍然未知。

Ren的團隊探測了來自成年小鼠大腦45個位置的80多萬個細(xì)胞核的可接觸染色質(zhì)--染色體的東西，然后利用這些數(shù)據(jù)繪制了160種不同細(xì)胞類型中4918個候選順式調(diào)控DNA元件的狀態(tài)。順式調(diào)控元素是非編碼DNA的區(qū)域，調(diào)節(jié)相鄰基因的轉(zhuǎn)錄(將一段DNA復(fù)制成RNA)。

他們發(fā)現(xiàn)，不同類型的神經(jīng)元位于小鼠大腦的不同區(qū)域，其空間分布和功能的特異性跟每個細(xì)胞類型內(nèi)獨特的順式調(diào)控DNA元件組相關(guān)并可能由其驅(qū)動。事實上，由Ren團隊確定的一些細(xì)胞類型特異性元素被獨立證明足以驅(qū)動小鼠大腦中特定亞類神經(jīng)元的報告基因表達(dá)。

令人驚訝的是，研究人員繪制的大多數(shù)小鼠大腦順式調(diào)控元素在人類基因組中都有同源或類似的序列，可能作為調(diào)控元素，因此可以用來注釋參與人類腦細(xì)胞類型規(guī)范的基因調(diào)控元素。

Ren表示，這些發(fā)現(xiàn)為全面分析包括人類在內(nèi)的哺乳動物大腦的基因調(diào)控程序提供了基礎(chǔ)并可協(xié)助解釋導(dǎo)致人類各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病和性狀的非編碼風(fēng)險變異。

轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組元素

每個細(xì)胞或細(xì)胞群都會產(chǎn)生獨特的RNA轉(zhuǎn)錄物模式--從DNA轉(zhuǎn)錄的RNA鏈為指導(dǎo)和維持生命的蛋白質(zhì)傳達(dá)遺傳指令。據(jù)估計，每秒鐘在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)發(fā)生數(shù)百萬個化學(xué)反應(yīng)。這種復(fù)雜性再加上描述基因、脂肪、蛋白質(zhì)、糖和細(xì)胞生物學(xué)中其他參與者功能的數(shù)據(jù)集不斷增加，使得了解大腦如何組織和運作的努力變得復(fù)雜。

Mukamel及其同事匯集了先進(jìn)的測序技術(shù)以專注于小鼠初級運動皮層--一個對運動至關(guān)重要的大腦區(qū)域。他們生成了50多萬個轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組--所有RNA分子和DNA修飾的全面列表，使每個小鼠腦細(xì)胞都是獨一無二的。

通過利用新的計算和統(tǒng)計模型，他們創(chuàng)建了小鼠初級運動皮層中56種神經(jīng)細(xì)胞類型的多模態(tài)圖譜以全面描述它們的分子、基因組和解剖學(xué)特征。

Mukamel表示，這項研究表明，每個腦細(xì)胞都有一個協(xié)調(diào)的基因表達(dá)和表觀遺傳調(diào)控模式，這可以使用不同的測序技術(shù)高保真地識別。就像一個人有特征性的筆跡、面部特征、發(fā)聲模式和個性特征一樣，研究人員發(fā)現(xiàn)運動皮層中的細(xì)胞類型的RNA和DNA特征將每個細(xì)胞跟它的鄰居區(qū)分開來。

Mukamel稱，正如我們?nèi)祟惖膫€性有助于我們社區(qū)的力量和多樣性一樣，大腦回路中獨特的基因表達(dá)和調(diào)控模式支持一個高度多樣化的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，具有專門的作用和相互依賴的功能。

Mukamel表示，通過結(jié)合來自數(shù)量空前的細(xì)胞的表觀基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，這項研究展示了單細(xì)胞測序技術(shù)全面繪制腦細(xì)胞類型的潛力--這一經(jīng)驗將有助于理解人類大腦中更為復(fù)雜的電路。

關(guān)鍵詞： 小鼠 小鼠大腦圖譜 科學(xué) 復(fù)雜性