撰文 | 十一月
人类前脑发育是从妊娠期到出生后持续存在的一个漫长而充满动态变化的过程【1】。该时期包括脑部皮质扩展、神经祖细胞多元分化与扩增以及神经胶质细胞的形成和成熟等多种过程。多种细胞发育过程高度同步化，如果这种发育过程被破坏的话，会在人体脑部引起多种疾病比如自闭症和智力发育缺陷【2】。但是目前为止，对于这些细胞活动的具体控制的分子程序的全面、详细的了解还并不充分。
近日，斯坦福大学J. Greenleaf与Sergiu P. Pașca研究组合作在Science发表题为Chromatin accessibility dynamics in a model of human forebrain development的文章，在人诱导多能干细胞细胞来源的三维类器官中对前脑发育过程中的染色质的可及性动态变化过程进行了研究。
基因表观遗传调控在控制发育阶段过渡与细胞分化过程中发挥着非常关键的作用【3,4】。基因与远端增强子元件之间的作用在整个发育过程中都是动态变化的，而且严格发生在某些具体的细胞谱系之中，但是这调控之中富含与疾病相关的遗传变异的可能性【5,6】。目前，染色质可及性已经变成基因调控潜能的重要代表性数据之一【7】。因此，对人类前脑发育过程中的染色质可及性研究对于神经细胞谱系发育过程的基因调控以及人类前脑疾病的进一步理解提供了重要的参考价值。然而，在脑组织中进行研究是一件非常困难的事情，也无法长时间对特定的细胞谱系进行追踪来研究其中的表观遗传动力学，因而无法对前脑的发育有着更深层次的理解。为了解决这一问题，作者们使用了人诱导多能干细胞（Human induced pluripotent stem cell, hiPS）来源的3D人脑类器官，该技术可以用于在体外对大脑早期阶段的发育进行长时间的直接的研究【8,9】。人脑类器官的发育过程已经被证明在体外培养的280天时间里能够模拟人类从胚胎到胎儿的早期阶段的过渡以及变化过程【10】。
图1 对人脑类器官细胞进行染色质可及性分析
在建立了人类诱导多能干细胞来源的位置特异性的两个前脑类器官Cortical spheroids (hCS)以及Subpallial spheroids (hSS)后，作者们将其在体外培养了20个月（图1）。进一步地，作者们对两种类器官中的细胞进行分离并进行了ATAC-seq（Transposase accessible chromatin with high-throughput sequencing）与RNA-seq（图1）。作者们共对hCS与hSS类器官中收集了117个ATAC-seq的数据与54个RNA-seq的数据，对20个月的早期脑部发育过程中神经细胞与神经胶质细胞的表观遗传调控与基因表达的特点进行分析并建立图谱。
作者们通过与原代脑组织培养以及一些有的表观遗传的数据库进行比对后发现，人类诱导多能干细胞来源的3D前脑类器官能够很好地概括体内染色质可及性的特点。作者们将这些数据与已经发现的一些推定可能存在的增强子-基因连接以及细胞谱系特异性转录因子的数据进行了整合，进一步通过免疫染色等方式确认了前脑类器官与原代组织培养之间细胞中时空动态性染色质可及性的一致。
随后作者们将与精神分裂症与自闭症的谱系相关的基因、遗传变异图谱和基因表达调控的可及性模式进行分析，揭开了涉及到的细胞类型和易感时期。最后作者们鉴定了在皮质神经发育过程中染色质的动态变化过程，其中1/4的调控区域属于活性区域，与之相关的转录因子可能是驱动这些发育过程的转变。
总的来说，作者们的工作使用体外长时间培养的3D类器官人脑模型进行研究，发现体外的类器官与原代人类器官的染色质可及性状态与人类原代组织培养的过程是一致的（图2）。利用该实验平台，作者们建立了特定转录因子驱动的表观遗传学的改变以及在人脑皮层神经发生过程中的染色质可及性的模型变化过程。在未来，利用病人来源的人体诱导多能干细胞培养的类器官将有利于对多种疾病的遗传学以及病理学方面特征与详细机制进行分析，将为神经精神类疾病等提供更多的表观遗传方面调节的见解。
图2 人前脑类器官染色质可及性分析工作模型图
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6476/eaay1645
制版人：琪酱
参考文献
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