Nature | 沈音/Kriegstein/Hawkins团队绘制发育中人脑胶质细胞的三维表观基因组图谱

人类大脑皮层在进化过程中显著扩张，为复杂认知和行为奠定了结构基础。放射状胶质细胞（radial glia，RG）既是重要的神经干细胞，也为新生神经元迁移提供支架。其中，脑室放射状胶质细胞（vRG）和外放射状胶质细胞（oRG）具有不同的空间位置和细胞命运。oRG在灵长类和人类大脑中显著扩增，被认为是推动皮层扩张的关键细胞类型。

基因能否被精确开启或关闭，不仅取决于DNA序列，也受到基因组三维结构的影响。远端顺式调控元件（cis-regulatory elements，CREs）可通过三维染色质环与靶基因启动子接触，从而调控基因表达。鉴于多数神经精神疾病相关变异位于非编码区域，绘制细胞类型特异的“调控元件—靶基因”图谱尤为重要。然而，人类皮层发育期胶质细胞，尤其是vRG和oRG的三维表观基因组及其细胞类型和物种差异，仍缺乏系统研究。

2026年9月2日，加州大学旧金山分校（UCSF）的沈音（Yin Shen）、Arnold Kriegstein与华盛顿大学的R. David Hawkins团队在Nature发表题为3D Epigenome of Glial Cell Types in Developing Human Cortex的研究论文。该研究构建了发育中人脑四类胶质/神经干细胞的多维表观基因组图谱，解析了增强子—靶基因连接，并揭示了精神分裂症风险变异和人类加速进化区域（HARs）的潜在调控作用。

首先，研究团队从妊娠中期人脑皮层中分选vRG、oRG、少突胶质细胞前体细胞（OPC）和小胶质细胞（MG），整合RNA-seq、ATAC-seq、WGBS和PLAC-seq，分别描绘基因表达、染色质开放性、DNA甲基化及三维染色质互作。团队在每类细胞中鉴定出超过6万个候选顺式调控元件（cCREs），并获得分辨率较此前提高4倍的启动子互作图谱，从而将远端调控元件连接到潜在靶基因。转基因小鼠实验进一步显示，15个RG候选元件中有11个具有胚胎脑增强子活性，说明多组学整合可以精确的鉴定调控元件。

随后，研究团队比较了vRG和oRG，发现两类细胞间存在7,941个差异开放区域，而差异甲基化区域仅有756个，提示染色质可及性更能反映RG亚型差异。转录因子分析显示，ASCL1、TCF4和TCF12偏向vRG开放染色质，LHX2则与oRG密切相关。在培养的oRG中敲低LHX2后，星形胶质细胞相关基因上调，G1期细胞比例增加，分化神经元比例下降。这些结果支持LHX2维持oRG自我更新并抑制其向星形胶质细胞样状态转变。这与此前在小鼠模型中观察到的结果较为一致【1,2】，提示LHX2在神经发生过程中具有保守的调控功能，而这一作用在人类oRG中可能尤为突出。

研究团队进一步将三维表观基因组与脑疾病遗传学数据整合。MG的互作cCRE特异性富集阿尔茨海默病相关的SNP遗传度。vRG、oRG和OPC的互作cCRE富集注意缺陷多动障碍和精神分裂症遗传度。自闭症相关遗传度则主要富集于vRG和oRG。这表明不同脑疾病的非编码遗传风险可能通过不同发育细胞类型中的调控元件发挥作用。

为了筛选潜在功能变异，研究团队利用细胞类型特异的染色质可及性数据训练机器学习模型。在11,360个精神分裂症候选变异中，112个被预测会改变染色质可及性。其中，rs4449074位于vRG神经增强子hs3134内；模型预测风险等位基因T会降低该区域的开放性。转基因小鼠实验进一步证实，与非风险等位基因C相比，风险等位基因T驱动的前脑增强子活性明显减弱。

最后，研究团队关注可能参与人类大脑进化的人类加速进化区域（HARs）。vRG和oRG的cCRE均显著富集HARs。进一步比较发现，72个oRG差异开放区域与HARs重叠，而vRG中仅有13个。将其他主要神经细胞类型纳入比较后，oRG中的HAR富集仍然显著存在。

在565个于oRG中开放的HAR中，研究团队筛选出一批可能改变染色质可及性的关键变异。其中，HARsv2_1313与ROCK2启动子发生三维互作。CRISPR干扰HARsv2_1313会降低ROCK2表达，并提高神经前体细胞中Ki67+细胞的比例。结合人类特异性等位基因具有较低预测开放性的结果，该研究提出HARsv2_1313活性降低可能通过下调ROCK2，延长神经前体细胞的增殖状态，从而与人类皮层扩张相联系。

另一个案例HARsv2_1602位于距离EPHA4超过1 Mb的“基因沙漠”中。人类特异性等位基因被预测会破坏转录抑制因子ZBT18的结合位点。报告实验也显示，人类HARsv2_1602序列的调控活性高于黑猩猩同源序列。这些结果说明，HAR变异既可能增强也可能减弱调控活性，其效应取决于细胞类型、转录因子环境及三维靶基因连接。

综上所述，该研究建立了发育中人脑四类胶质/神经干细胞的高分辨率三维表观基因组资源，并将其用于解析细胞谱系调控、脑疾病风险和人类大脑进化。研究鉴定了LHX2参与oRG状态维持的调控网络，并通过机器学习和功能实验筛选了精神分裂症风险位点及HAR候选元件，为理解非编码基因组如何塑造皮层发育提供了新的框架。

UCSF的Ian R. Jones和王力（Li Wang）博士为论文共同第一作者；沈音（Yin Shen）教授、Arnold Kriegstein教授和R. David Hawkins教授为共同通讯作者。该研究也受到了劳伦斯伯克利国家实验室Len A. Pennacchio教授和北卡罗来纳大学教堂山分校的李蕴（Yun Li）教授及其团队的指导和帮助。

目前，论文共同第一作者王力博士已在斯坦福大学建立独立实验室（https://www.liwanglab.org/），继续围绕人脑发育、基因组调控及神经系统疾病相关遗传变异开展研究。共同第一作者Ian R. Jones也已加入其团队。未来，团队将进一步探索人类大脑发育过程中基因调控网络的建立及其与疾病和进化的联系，欢迎关注实验室的后续研究进展。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10987-6

制版人： 十一

参考文献

[1] Yang L, Wang Z, Gao Y, Li Z, Liu G, Xu Z, Zhang Z, You Y, Yang Z, Li X. Mouse cortical cellular diversification through lineage progression of radial glia.Genes Dev.2025 Nov 3;39(21-22):1338-1354. doi: 10.1101/gad.352826.125. PMID: 40774817; PMCID: PMC12581827.

[2] Subramanian L, Sarkar A, Shetty AS, Muralidharan B, Padmanabhan H, Piper M, Monuki ES, Bach I, Gronostajski RM, Richards LJ, Tole S. Transcription factor Lhx2 is necessary and sufficient to suppress astrogliogenesis and promote neurogenesis in the developing hippocampus.Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Jul 5;108(27):E265-74. doi: 10.1073/pnas.1101109108. Epub 2011 Jun 20. PMID: 21690374; PMCID: PMC3131330.

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