科學(xué)家揭示3D人類腦細(xì)胞圖譜，從分子機(jī)制鑒定一百八十八種不同細(xì)胞類型

人類大腦中究竟有多少種細(xì)胞類型？長(zhǎng)期以來，科學(xué)家積極探索人體的組織、功能或運(yùn)行機(jī)制。但是，想回答這個(gè)問題卻并非易事。

與人體其他組織功能已形成足夠的認(rèn)知不同，大腦神經(jīng)元多達(dá)860億，并因直接與“智能”相關(guān)而具有復(fù)雜的功能。

雖然科學(xué)家一直努力試圖深入研究大腦的內(nèi)在機(jī)制，但在關(guān)于大腦的功能認(rèn)知上仍然知之甚少。

近期，《科學(xué)》雜志發(fā)布了一項(xiàng)腦細(xì)胞種類普查（Brain Cell Census）專題，在《科學(xué)》及其子刊《科學(xué)進(jìn)展》《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》連發(fā)21篇論文，通過單細(xì)胞測(cè)序等技術(shù)揭示了截至目前最為全面的人腦細(xì)胞圖譜。

世界各地的研究人員研究了人腦的細(xì)胞類型的組成和基因調(diào)控機(jī)制，以及人腦和靈長(zhǎng)類、老鼠等其他動(dòng)物的相似性和差異性，從而形成了整體的新認(rèn)知。

這一系列成果為更深入地了解人類精神及相關(guān)神經(jīng)疾病形成機(jī)制奠定了理論基礎(chǔ)。

“這相當(dāng)于在分子機(jī)制和細(xì)胞水平上，對(duì)理解人腦的認(rèn)知有了草稿和框架。有了系列成果的推進(jìn)，更方便科學(xué)家日后在這個(gè)草稿和框架下，進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的細(xì)節(jié)補(bǔ)充或?qū)φw7ef0b578be486a02269aa3fa662fbae5框架逐步完善。”美國(guó)索爾克生物研究所研究員田威表示。

在這21篇論文中，其中一篇發(fā)表在《科學(xué)》的論文來自田威與其所在的索爾克生物研究所團(tuán)隊(duì)。

他們以DNA的甲基化及染色體三維基因組結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)三名成年男性大腦46個(gè)腦區(qū)51.7萬細(xì)胞深入研究后，鑒定出188種細(xì)胞類型。并且，對(duì)每種細(xì)胞類型給出DNA片段的相關(guān)位置，確定它們之間如何相互作用的情況。

他們還發(fā)現(xiàn)了不同腦區(qū)的區(qū)域性差距。人腦是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，即使是同一細(xì)胞類型，當(dāng)細(xì)胞處于大腦不同位置時(shí)會(huì)出現(xiàn)功能完全不同，以及基因調(diào)控機(jī)制具有微妙差別的可能性。

“通過將某些細(xì)胞與相關(guān)腦疾病的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以及對(duì)不同類型腦細(xì)胞中，所有可能幫助細(xì)胞表達(dá)的DNA片段位置的定位，不僅可方便對(duì)比了解到細(xì)胞可能與某些疾病相關(guān)，也可以準(zhǔn)確地知道細(xì)胞中DNA具體哪個(gè)片段和位點(diǎn)與該疾病相關(guān)。”田威說。

借助對(duì)腦細(xì)胞種類的規(guī)模化普查數(shù)據(jù)，不僅極大地提升了腦科學(xué)研究的效率，也有利于未來開發(fā)精準(zhǔn)醫(yī)療的特定治療手段，即給藥后只在某個(gè)細(xì)胞中作用，而在進(jìn)入其他的細(xì)胞后不會(huì)被激活。

近日，相關(guān)論文以《人類大腦中的單細(xì)胞DNA甲基化和3D基因組結(jié)構(gòu)》為題發(fā)表。

田威和周景天為論文共同第一作者，約瑟夫·R·埃克爾教授為論文通訊作者。

某個(gè)基因?yàn)槭裁催@么表達(dá)，同一基因?yàn)槭裁丛诓煌募?xì)胞類型中表達(dá)不一樣？田威指出，這些因素與表觀遺傳學(xué)、甲基化、三維結(jié)構(gòu)等息息相關(guān)。

通過提供3D人類腦細(xì)胞圖譜數(shù)據(jù)集，為這些問題提供了答案。該團(tuán)隊(duì)的研究對(duì)象為DNA甲基化及三維基因組結(jié)構(gòu)，這對(duì)研究細(xì)胞調(diào)控非常重要。

此外，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)不同腦部細(xì)胞DNA位點(diǎn)的甲基化水平具有差異性，并構(gòu)建了一種單細(xì)胞甲基化條形碼。

與去超市掃商品二維碼操作類似，未來，如果想了解某個(gè)細(xì)胞類型，通過對(duì)有限數(shù)目的位點(diǎn)的甲基化水平的測(cè)量，即能以低成本途徑預(yù)測(cè)腦細(xì)胞的具體類型。“這對(duì)帕金森病、老年癡呆等腦疾病的預(yù)篩查和診斷具有重要意義。”田威說道。

在這次研究中，田威主要負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)和對(duì)部分實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)做決定，這與其科研背景密切相關(guān)。他在美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校獲得博士學(xué)位，師從梁杰教授，研究方向包括蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，以及計(jì)算生物、生物信息、系統(tǒng)生物學(xué)等。

目前，他在約瑟夫·R·埃克爾教授課題組進(jìn)行博士后研究，致力于單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析，以研究大腦表觀遺傳學(xué)的時(shí)空動(dòng)態(tài)。

田威表示：“得益于這項(xiàng)整體的研究，目前我們已經(jīng)積累了一定量的數(shù)據(jù)，并且已經(jīng)得到了一些很有影響的結(jié)果。”

但是，相比大腦皮層的復(fù)雜性，大腦皮下腦區(qū)的細(xì)胞類型以及其調(diào)控更為復(fù)雜。“沒有任何兩個(gè)人的腦子是一樣的。”他說。

因此下一步，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在大腦不同發(fā)育階段、性別、種族等個(gè)體差異下，通過對(duì)更多腦區(qū)的測(cè)試得到更多細(xì)致的樣本，進(jìn)而更本質(zhì)地理解人腦的復(fù)雜性，以期對(duì)治療腦疾病提供更多新線索。（綜合整理報(bào)道）（策劃／克珂）