Исследование 3D-генома мозга выявило человеко-специфичные регуляторные изменения в ходе развития

Международная группа учёных под руководством профессоров Су Бина, Ли Чэна и Чжан Шихуа сообщила о создании карты 3D-генома мозга приматов с рекордно высоким разрешением и продемонстрировала молекулярные регуляторные механизмы эволюции человеческого мозга с помощью межвидового мульти-омиксного анализа. Исследование опубликовано в журнале Cell.

Уникальный паттерн развития человеческого мозга обусловлен накопленными генетическими изменениями в ходе эволюции. Среди огромного числа генетических различий между видами лишь небольшая часть функционально значима. Задача — выявить причинные изменения, ответственные за уникальное развитие человеческого мозга, и их регуляторные механизмы. Макаки, генетически близкие к человеку, являются идеальной моделью для такого изучения.

Геном млекопитающих, включая человека, имеет длину около двух метров и упакован в ядре диаметром всего 10 микрометров. Эта упаковка характеризуется организованным трёхмерным (3D) распределением, важным для пролиферации и дифференцировки клеток в ходе развития. Технология Hi-C (whole-genome chromosomal structure capture) позволяет изучать тонкую организацию генома.

В этом исследовании учёные провели межвидовой анализ 3D-геномов мозга.

• Они впервые построили высокоразрешающую (1.5 kb) карту 3D-хроматиновой структуры мозга плода макаки с помощью Hi-C. Это самое высокое разрешение для мозга приматов на сегодня.
• На основе мульти-омиксных данных (транскриптом, открытые регионы хроматина, карта белка-якоря CTCF) была построена детальная карта хроматиновой структуры мозга макаки в разных масштабах: compartments, топологически ассоциированные домены (TADs) и хроматиновые петли (loops). Также были идентифицированы регуляторные элементы, такие как энхансеры.
• Сравнение с опубликованными данными Hi-C по мозгу человека и мыши выявило множество человеко-специфичных изменений в структуре хроматина, включая 499 человеко-специфичных TADs и 1266 человеко-специфичных петель. Эти специфичные петли обогащены взаимодействиями энхансер-энхансер, что представляет собой механизм тонкой настройки развития мозга в ходе эволюции человека.
• Анализ данных single-cell транскриптомики показал, что гены, связанные с человеко-специфичными петлями, высоко экспрессируются в субпластинке — транзиторной зоне развивающегося мозга, критической для формирования нейронных цепей. Субпластинка у человека чрезвычайно расширена (примерно в 4 раза толще корковой пластинки) по сравнению с макакой и мышью, но мало изучена. Это открытие впервые указывает на ключевую роль субпластинки в формировании человеко-специфичных структур мозга.
• Обнаружено, что многие человеко-специфичные мутации (точечные и структурные изменения) расположены в границах TAD и якорных регионах петель, что может приводить к появлению новых сайтов связывания транскрипционных факторов и человеко-специфичных хроматиновых структур.
• На примере гена EPHA7 (высоко экспрессируется в субпластинке, важен для развития дендритов нейронов) показано, что человеко-специфичные точечные мутации приводят к формированию человеко-специфичных энхансеров и петель. Эксперимент с нокаутом энхансера в клеточных линиях доказал, что эти энхансеры вызывают регуляторные изменения в экспрессии EPHA7 и влияют на развитие дендритов.

Исследование проливает новый свет на генетические механизмы происхождения человеческого мозга и служит ценным ресурсом по 3D-геномике мозга.