摘要：本研究利用單細胞染色質可及性數據和單細胞轉錄組數據同時構建OPC（Oligodendrocyte progenitor cell，少突膠質前體細胞）向OLI分化軌跡，發現穀氨酸能，γ-氨基丁酸能和鈣信號傳導以及Wnt調控通路在少突膠質細胞成熟路徑中的染色質可及性及基因表達水平的動態變化，提示了染色質可及性和調控原件的特定變化如何影響從OPC到OLIs的成熟軌跡，從而標記出脫髓鞘疾病的潛在靶標。通過對食蟹猴初級視皮層（primary visual cortex, V1）、初級運動皮層（primary motor cortex, M1）以及前額皮質（prefrontal cortex, PFC）等3個區域腦組織中單細胞染色質可及性及基因表達進行了聯合分析，分別鑑定出神經細胞和非神經細胞的轉錄組細胞亞型及表觀組學細胞亞型。

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食蟹猴腦細胞scATAC-seq和snRNA-seq數據整合圖譜

該研究是深圳華大生命科學研究院與昆明理工靈長類轉化醫學研究院等機構繼非人靈長類動物體外胚胎培養系統、非人靈長類動物器官圖譜之後，又一篇在非人靈長類腦科學研究領域的代表性合作成果。

非人靈長類動物與人類在解剖結構、組織器官功能等方面非常相似，是理想的臨牀前實驗動物模型。其中，食蟹猴的大腦皮層組織在許多方面與人類相似，系統分析食蟹猴的大腦皮層細胞的表達調控機制，將對使用食蟹猴進行腦及神經性疾病模型研究具有重要的指導意義，以及爲深入瞭解腦科學的複雜機制提供了珍貴資源。

猴腦與人腦結構類似

摘自 David C. Van Essen et al., PANS, 2019 (https://doi.org/10.1073/pnas.1902299116)

腦的結構與對應功能區域

來源：https://www.examrace.com/Study-Material/Psychology/Brain-Parts-YouTube-Lecture-Handouts.html

本研究基於單細胞染色質可及性測序技術scATAC-seq（single-cell assay for transposase-acccesible chromatin using sequencing，利用測序技術進行單細胞轉座子可及染色質分析）和單核轉錄組測序技術snRNA-seq（single-nucleus RNA sequencing，單細胞RNA測序），首次報道了成年食蟹猴大腦皮層的單細胞染色質可及性和轉錄組圖譜。通過對食蟹猴初級視皮層（primary visual cortex, V1）、初級運動皮層（primary motor cortex, M1）以及前額皮質（prefrontal cortex, PFC）等3個區域腦組織中單細胞染色質可及性及基因表達進行了聯合分析，分別鑑定出神經細胞和非神經細胞的轉錄組細胞亞型及表觀組學細胞亞型。通過兩個組學整合分析，神經細胞和非神經細胞亞型在兩個組學的數據中能較好對應，上層（Upper layer）和下層（Lower layer）大腦皮層中的興奮性神經元以及不同亞型的抑制性神經元都也能在兩個組學間較好整合。

食蟹猴腦細胞轉錄組和表觀組學細胞聚類

對三個腦區染色質可及性數據進一步研究發現，V1區域和額葉區域（frontal cortex, FC, 包含PFC和M1區域）的興奮性神經元細胞存在顯著的表觀調控的區域差異，而其它細胞類型並未出現類似差異。將興奮性神經元在V1區域和FC皮層區域分爲上層和下層進行區域間比較後發現，區域間差異調控基因大量富集在肌動蛋白絲加工通路以及脂質體轉運通路基因上，提示了這兩個通路在大腦皮層的區域差異上發揮重要作用，爲今後對皮層功能的區域差異研究提供了重要的候選。

興奮性神經細胞羣體在大腦皮層不同區域的分佈

髓鞘的重要組成少突膠質細胞（oligodendrocytes, OLI）在中樞神經系統（central nervous system, CNS）中支持神經元，並在動作電位的跳躍式傳導中發揮重要作用，神經退行性疾病和神經發育障礙（包括多發性硬化症）中多見髓鞘再生障礙。已有研究揭示小鼠和人腦中OLI成熟和髓鞘形成的轉錄和表觀遺傳調控途徑，但是對這兩種調控的動態相關仍欠缺瞭解。本研究利用單細胞染色質可及性數據和單細胞轉錄組數據同時構建OPC（Oligodendrocyte progenitor cell，少突膠質前體細胞）向OLI分化軌跡，發現穀氨酸能，γ-氨基丁酸能和鈣信號傳導以及Wnt調控通路在少突膠質細胞成熟路徑中的染色質可及性及基因表達水平的動態變化，提示了染色質可及性和調控原件的特定變化如何影響從OPC到OLIs的成熟軌跡，從而標記出脫髓鞘疾病的潛在靶標。

少突膠質細胞（OLI）成熟軌跡的轉錄圖譜和表觀圖譜

非人靈長類動物腦單細胞基因組學數據的主要優勢是爲精神病學和神經病學的臨牀前研究提供直接的數據資源。作者利用LDSC（linkage disequilibrium score regression，連鎖不平衡迴歸分析）方法對染色質可及性和轉錄組的細胞亞羣來預測神經系統疾病和神經精神疾病的風險易感性，發現阿爾茨海默病（Alzheimer's disease， AD）主要與MIC（microglia, 小膠質細胞）亞羣強相關，精神類疾病與神經細胞呈高相關性，這與現有報道一致；進一步發現與EX（excitatory neuron, 興奮性神經細胞）相關的精神類疾病可能與額葉大腦皮層區域相關。同時，基於轉錄組數據提供了細胞類型特異性可變剪接與疾病風險富集的關聯，例如AD中少突膠質細胞的富集和MDD（major depressive disorders，抑鬱症）中SST型抑制性神經元的富集。

疾病風險在腦細胞類型的富集

該項目負責人文章第一作者、深圳華大生命科學研究院超級細胞所雷瑩博士表示，爲滿足人類對於自身壽命和健康日益提升的需求，針對人體疾病的發生發展和相關的藥物研究的需求也日漸激增，因此，非人靈長類動物模型已成爲生命大健康領域研究的中心。華大聯合全球多個頂級機構發佈了的首個高分辨率的成年非人靈長類動物大腦的單細胞染色質可及性和基因表達圖譜，爲腦科學研究和神經系統疾病的新藥研製提供了前所未有的高精度研究基礎。

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