撰文 | 十一月
人類前腦發育是從妊娠期到出生後持續存在的一個漫長而充滿動態變化的過程【1】。該時期包括腦部皮質擴展、神經祖細胞多元分化與擴增以及神經膠質細胞的形成和成熟等多種過程。多種細胞發育過程高度同步化，如果這種發育過程被破壞的話，會在人體腦部引起多種疾病比如自閉症和智力發育缺陷【2】。但是目前為止，對於這些細胞活動的具體控制的分子程序的全面、詳細的瞭解還並不充分。
近日，斯坦福大學J. Greenleaf與Sergiu P. Pașca研究組合作在Science發表題為Chromatin accessibility dynamics in a model of human forebrain development的文章，在人誘導多能幹細胞細胞來源的三維類器官中對前腦發育過程中的染色質的可及性動態變化過程進行了研究。
基因表觀遺傳調控在控制發育階段過渡與細胞分化過程中發揮著非常關鍵的作用【3,4】。基因與遠端增強子元件之間的作用在整個發育過程中都是動態變化的，而且嚴格發生在某些具體的細胞譜系之中，但是這調控之中富含與疾病相關的遺傳變異的可能性【5,6】。目前，染色質可及性已經變成基因調控潛能的重要代表性數據之一【7】。因此，對人類前腦發育過程中的染色質可及性研究對於神經細胞譜系發育過程的基因調控以及人類前腦疾病的進一步理解提供了重要的參考價值。然而，在腦組織中進行研究是一件非常困難的事情，也無法長時間對特定的細胞譜系進行追蹤來研究其中的表觀遺傳動力學，因而無法對前腦的發育有著更深層次的理解。為了解決這一問題，作者們使用了人誘導多能幹細胞（Human induced pluripotent stem cell, hiPS）來源的3D人腦類器官，該技術可以用於在體外對大腦早期階段的發育進行長時間的直接的研究【8,9】。人腦類器官的發育過程已經被證明在體外培養的280天時間裡能夠模擬人類從胚胎到胎兒的早期階段的過渡以及變化過程【10】。
圖1 對人腦類器官細胞進行染色質可及性分析
在建立了人類誘導多能幹細胞來源的位置特異性的兩個前腦類器官Cortical spheroids (hCS)以及Subpallial spheroids (hSS)後，作者們將其在體外培養了20個月（圖1）。進一步地，作者們對兩種類器官中的細胞進行分離並進行了ATAC-seq（Transposase accessible chromatin with high-throughput sequencing）與RNA-seq（圖1）。作者們共對hCS與hSS類器官中收集了117個ATAC-seq的數據與54個RNA-seq的數據，對20個月的早期腦部發育過程中神經細胞與神經膠質細胞的表觀遺傳調控與基因表達的特點進行分析並建立圖譜。
作者們通過與原代腦組織培養以及一些有的表觀遺傳的數據庫進行比對後發現，人類誘導多能幹細胞來源的3D前腦類器官能夠很好地概括體內染色質可及性的特點。作者們將這些數據與已經發現的一些推定可能存在的增強子-基因連接以及細胞譜系特異性轉錄因子的數據進行了整合，進一步通過免疫染色等方式確認了前腦類器官與原代組織培養之間細胞中時空動態性染色質可及性的一致。
隨後作者們將與精神分裂症與自閉症的譜系相關的基因、遺傳變異圖譜和基因表達調控的可及性模式進行分析，揭開了涉及到的細胞類型和易感時期。最後作者們鑑定了在皮質神經發育過程中染色質的動態變化過程，其中1/4的調控區域屬於活性區域，與之相關的轉錄因子可能是驅動這些發育過程的轉變。
總的來說，作者們的工作使用體外長時間培養的3D類器官人腦模型進行研究，發現體外的類器官與原代人類器官的染色質可及性狀態與人類原代組織培養的過程是一致的（圖2）。利用該實驗平臺，作者們建立了特定轉錄因子驅動的表觀遺傳學的改變以及在人腦皮層神經發生過程中的染色質可及性的模型變化過程。在未來，利用病人來源的人體誘導多能幹細胞培養的類器官將有利於對多種疾病的遺傳學以及病理學方面特徵與詳細機制進行分析，將為神經精神類疾病等提供更多的表觀遺傳方面調節的見解。
圖2 人前腦類器官染色質可及性分析工作模型圖
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6476/eaay1645
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參考文獻
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