哺乳动物小脑发育过程中基因调控的演变

《SCIENCE》：The evolution of gene regulation in mammalian cerebellum development

哺乳动物脑干发育调控元件进化机制研究整合六种哺乳动物单细胞多组学数据构建深度学习模型预测基因调控网络及元件的进化保守性揭示调控代码的长期稳定及人类特异性创新如THRB表达调控新元件的形成

　　

编辑总结

进化过程中大脑发育的机制尚未完全阐明。Sarropulos等人专注于小脑研究，利用先前获得的单核多组学数据（RNA表达和DNA可及性）以及新收集的来自六种哺乳动物（人类、倭黑猩猩、猕猴、狨猴、小鼠和负鼠）的数据集，开发了一个深度学习模型，该模型能够预测在小脑发育过程中保守或分化的基因调控网络和顺式调控元件。通过结合跨物种的多组学资源与先进的机器学习和深度学习技术来分析基因调控网络和增强子结构，这项研究为大脑的发育和进化提供了宝贵的见解。——Mattia Maroso

结构化摘要

引言

哺乳动物小脑经历了许多进化创新，但其分子基础仍不清楚。大多数表型变化被认为是由顺式调控元件（如增强子和启动子）的突变驱动的，这些元件以细胞类型特异性的方式控制基因表达。然而，快速的顺式调控元件进化以及我们对DNA序列如何编码调控活性的理解有限，这阻碍了我们对调控创新的研究。

研究背景

单细胞多组学技术能够映射顺式调控元件的细胞类型特异性，而机器学习的最新进展有助于从DNA序列预测其可及性。我们认为，如果不同哺乳动物中小脑细胞类型的顺式调控元件序列是保守的，那么我们可以利用基于序列的深度学习模型从基因组序列中重建它们的进化历史，并识别出导致基因调控创新的序列变化。

结果

我们构建了涵盖六种哺乳动物（人类、倭黑猩猩、猕猴、狨猴、小鼠和负鼠）小脑发育过程的全面单细胞基因表达和染色质可及性图谱，共分析了78万个单细胞样本。我们对比了不同物种之间的发育时间线，发现了共同的细胞类型，并确定人类谱系中胎儿浦肯野细胞的扩张发生在过去4000万年内，这表明小脑在进化过程中出现了一个新的创新。

通过推断基因调控网络，我们识别出了控制小脑细胞身份的主要转录因子，并发现它们的活性在物种间具有高度保守性。根据顺式调控元件的时空可及性对其进行分组后，发现人类和小鼠的顺式调控元件具有共同的转录因子基序特征，这表明尽管个别顺式调控元件发生了大量替换，但其调控代码（即基序组合）仍然保守。

接下来，我们开发了深度学习模型，能够从DNA序列中准确预测不同物种中小脑细胞类型的顺式调控元件可及性。利用基于人类和小鼠数据训练的DeepCeREvo模型，我们证明了连接DNA序列与小脑细胞类型功能的调控逻辑（即调控语法）在1.6亿年的哺乳动物进化过程中保持稳定。在此基础上，我们将预测范围扩展到240种哺乳动物的基因组，重建了人类顺式调控元件的进化历史。我们识别出某些在进化后得以保留的特异性顺式调控元件，并检测到人类特异性元件中的正选择迹象，暗示这些元件可能与进化创新有关。我们使用未包含在模型训练中的非人类灵长类数据集和增强子报告实验验证了这些预测结果。

最后，我们将灵长类特异性的顺式调控元件与灵长类谱系中同一细胞类型中表达增加的基因联系起来。值得注意的是，我们发现人类早期祖细胞中THRB基因的表达增加是由转录起始位点上游约3千碱基处的单核苷酸替换引起的，这一变化可能发生在2500万至4000万年前。

结论

我们的研究通过结合比较单细胞基因组学和机器学习方法，提供了一个理解基因调控进化的综合框架。我们证明了尽管个别调控元件发生快速替换，但在哺乳动物小脑发育过程中，保守的调控语法仍然控制着细胞类型的特异性基因表达。通过将特定的序列变化与表达进化联系起来，我们识别出可能促进人类小脑进化的调控创新。这种方法可广泛应用于理解不同组织和物种间的调控进化。

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哺乳动物小脑调控进化的单细胞多组学分析。

单细胞多组学图谱显示了不同物种中小脑细胞类型的基因调控情况（左图）。基于序列的深度学习模型表明，小脑细胞类型的调控语法（即调控元件可及性的序列逻辑）在1.6亿年的哺乳动物进化过程中保持保守，从而可以利用240种哺乳动物的同源区域推断人类顺式调控元件的进化历史（右上图）。人类顺式调控元件的最新创新与物种间的基因表达变化相关（右下图）。

摘要

基因调控变化被认为是进化创新的主要驱动力，包括人类进化过程中小脑的扩张，但这些变化在很大程度上尚未被充分探索。在这项研究中，我们结合了六种哺乳动物（人类、倭黑猩猩、猕猴、狨猴、小鼠和负鼠）的单核基因表达和染色质可及性数据，揭示了小脑发育过程中保守和分化的调控网络。我们识别出了控制细胞身份的核心调控因子，并开发了基于序列的模型来揭示保守的调控代码。通过预测240种哺乳动物的染色质可及性，我们重建了人类顺式调控元件的进化历史，发现了与正选择和基因表达变化相关的调控元件集合，其中包括小脑祖细胞中THRB基因表达的近期增加。总体而言，我们的工作揭示了控制小脑发育的共有调控程序和哺乳动物谱系特异性的调控机制。