《Nature Communications》：Single-cell spatial map of cis-regulatory elements for disease-related genes in the macaque cortex
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本研究针对灵长类大脑分子与细胞多样性背后的基因调控机制及其在疾病发病中的作用尚不清楚的难题，科研人员对两只食蟹猴142个皮层区域约160万个细胞进行了单核染色质可及性测序（snATAC-seq），结合空间转录组数据进行分析。他们系统绘制了不同细胞类型顺式调控元件（CREs）的染色质可及性空间图谱，发现其呈现层状和区域偏好性，并与皮层层级水平相关。跨物种比较揭示了在人类/猴中富集的特定神经元类型及其相关的CREs，并发现多种脑疾病的风险单核苷酸多态性（SNPs）与这些CREs显著相关，特别是阿尔茨海默病的风险位点与小胶质细胞的特异性CREs强烈关联。该研究为理解灵长类皮层细胞多样性及疾病发病的基因调控机制提供了重要基础。
当我们探索大脑这个宇宙中最复杂的器官时，科学家们已经能够通过单细胞空间转录组技术，描绘出其中成千上万种细胞独特的分子“身份证”。然而，一个更深层的谜题仍未解开：究竟是哪些“开关”控制了这些基因的表达，从而塑造了大脑中令人惊叹的细胞多样性？尤其对于与我们亲缘关系最近的灵长类动物而言，其大脑皮层精细的层级结构和功能分区背后的基因调控机制，以及这些机制如何与神经发育和精神类疾病的发病风险相关联，在很大程度上仍是未知领域。解开这些谜题，对于理解灵长类乃至人类大脑的高级功能以及相关脑疾病的发病机制至关重要。
为了回答这些问题，一项发表在《Nature Communications》上的研究进行了一次大规模的系统性探索。研究人员聚焦于食蟹猴（Macaca fascicularis）的大脑皮层，对来自两只雄性个体共计142个皮层区域的约160万个细胞核进行了单核转座酶可及染色质测序（snATAC-seq）。这项技术如同一把“分子尺”，能够测量染色质的开放程度，从而精准定位那些活跃的基因调控“开关”，即顺式调控元件（CREs）。通过将产生的海量snATAC-seq数据与已有的空间转录组数据进行整合分析，研究团队旨在绘制一幅高分辨率的灵长类大脑皮层基因调控空间图谱，并探索其在跨物种比较和疾病关联中的意义。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，对两只食蟹猴142个皮层区域的细胞样本进行了大规模的单核ATAC测序（snATAC-seq），以获取细胞类型特异的染色质可及性图谱。其次，通过整合分析此前已发表的大规模空间转录组数据，将染色质可及性特征映射到大脑皮层的空间坐标上。最后，利用跨物种比较分析方法，将获得的猴脑snATAC-seq数据与已公开的人脑和小鼠脑的同类数据进行对比，以鉴定物种特异的细胞类型与调控元件。
研究结果
不同脑细胞类型具有独特的顺式调控元件可及性图谱
通过对约160万个细胞核的snATAC-seq数据进行分析，研究团队成功鉴定了大脑皮层中主要的细胞类型，包括兴奋性的谷氨酸能神经元、抑制性的GABA能神经元以及非神经元细胞（如少突胶质细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞等）。分析发现，每一种细胞类型都拥有一套独特的、活跃的顺式调控元件（CREs），这些CREs的染色质可及性模式如同细胞的“调控指纹”，清晰地将其区分开来。这为在染色质层面理解细胞身份的特异性调控奠定了基础。
顺式调控元件的可及性具有皮层层状和区域偏好性
研究的一个关键发现是，这些CREs的活性并非均匀分布。当研究者将snATAC-seq数据与空间转录组数据整合后，他们发现许多CREs的开放状态表现出明显的“位置偏好”。具体而言，一部分CREs在特定皮层层级（例如第4层）中可及性更高，而另一部分CREs则在特定的脑区（如感觉皮层或联合皮层）中更为活跃。更深入的分析揭示，CREs的区域性可及性模式与大脑皮层的等级层次显著相关，提示基因调控网络可能参与了大脑功能区域化的构建。
跨物种比较揭示人类/猴特异的神经元类型与疾病相关调控元件
通过与人类及小鼠的同类数据比较，本研究发现了在进化上可能具有重要意义的细胞类型。例如，在人类和食蟹猴中，都发现了特异性富集的第4层谷氨酸能神经元以及一类表达LAMP5和LHX6的GABA能抑制性神经元。更重要的是，研究鉴定出了一批在人类/猴中活跃度显著高于小鼠的“偏倚性CREs”（human/macaque-biased CREs），这些CREs所关联的基因功能显著富集于神经发育和精神疾病相关通路。
脑疾病风险遗传变异与物种偏倚性/细胞类型特异性调控元件关联
本研究最具有转化医学意义的发现在于，将大脑疾病的遗传风险因素与上述调控图谱进行了整合分析。结果显示，对于多种脑部疾病（如精神分裂症、双相情感障碍等），其已知的风险单核苷酸多态性（SNPs）显著富集于上述在人类/猴中偏倚的CREs中，且这种关联在谷氨酸能神经元类型中尤为强烈。特别值得注意的是，阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）的风险SNPs则表现出独特的细胞类型特异性，它们与仅在小胶质细胞中活跃的CREs存在极强的关联。这强烈暗示，阿尔茨海默病的遗传风险可能主要通过影响大脑免疫细胞——小胶质细胞的基因调控功能来实现。
研究结论与意义
这项研究通过构建首个灵长类大脑皮层单细胞分辨率的空间染色质可及性图谱，系统揭示了基因调控元件在塑造细胞类型多样性、皮层层状与区域化结构中的关键作用。它首次在全基因组范围内，将大脑疾病的遗传风险位点与特定细胞类型、且在进化上具有特定性的顺式调控元件直接联系起来。尤其是发现了阿尔茨海默病风险位点与小胶质细胞特异性调控元件的强关联，这为理解该疾病的免疫机制起源提供了全新的、具有细胞类型分辨率的视角。综上所述，该工作不仅为理解灵长类大脑复杂的基因调控逻辑提供了宝贵的数据资源和理论框架，也为深入解析多种神经精神疾病的分子和细胞机制开辟了新的道路。
