標(biāo)題：chromatin and gene-regulatory dynamics of the developing human cerebral cortex at single-cell resolution
發(fā)表時間：2021年8月
發(fā)表期刊：cell
研究材料：
scATAC ：共13個樣本遂蛀，年齡從pcw16 pcw20 pcw21 cw24四個時期（每個樣本都有重復(fù)）
scRNA：8個樣本嫉父，也是4個時期（每個樣本有重復(fù)）
Multiome：3個樣本 pcw 21九杂，1個時期心肪，三個重復(fù)
采樣部位：大腦皮質(zhì)（未找到大腦皮質(zhì)哪一具體部位）
細(xì)胞數(shù)：scATAC-seq為31304個凳兵，scRNA-seq為57868個犬耻。（這是質(zhì)控后的細(xì)胞數(shù)站削，原始scATAC細(xì)胞數(shù)為40512個弊知，scRNA為62715）scATAC過濾掉的細(xì)胞數(shù)還是更多的
文章摘要：
大腦皮質(zhì)發(fā)育的遺傳擾動可導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育疾病，其中包括自閉癥（ASD）容诬。為了確定對皮質(zhì)發(fā)生至關(guān)重要的基因組區(qū)域娩梨，作者繪制了gene-regulatory elements 的活性，獨立地和聯(lián)合地生成了基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性的單細(xì)胞圖譜览徒。
揭示了關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子 (TF) 在幾乎連續(xù)的分化軌跡上的基因調(diào)控變化狈定，區(qū)分了神經(jīng)膠質(zhì)譜系的表達(dá)程序，并確定了譜系決定 TF习蓬，這些 TF 在關(guān)聯(lián)的基因調(diào)控元件和表達(dá)水平之間表現(xiàn)出強相關(guān)性纽什。這些高度聯(lián)系的基因在早期分化細(xì)胞中染色質(zhì)狀態(tài)是活躍的，與譜系承擔(dān)的一致躲叼。
堿基對分辨神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Base-pair-resolution neural network models）確定了在一個ASD群體中預(yù)測為破壞性的非編碼突變的強細(xì)胞類型特異性富集芦缰，并確定了頻繁破壞的TF結(jié)合位點。這種方法說明了細(xì)胞類型特異性映射如何為人類發(fā)育和疾病的控制提供見解枫慷。
INTRODUCTION:
由轉(zhuǎn)錄因子（TF）結(jié)合變化驅(qū)動的順式調(diào)控DNA元件活性的動態(tài)變化让蕾，是發(fā)育過程中表型轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。測量染色質(zhì)可及性的單細(xì)胞方法已成為該活性的敏感方法或听，并與測量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的工具相結(jié)合探孝，具有破譯TFs組合如何驅(qū)動基因表達(dá)程序的潛力。量化調(diào)控元件的動態(tài)活性還可以推斷疾病相關(guān)遺傳變異影響發(fā)育的時間點或細(xì)胞類型誉裆。例如顿颅，與自閉癥譜系障礙（ASD）相關(guān)的遺傳變異如何與大腦皮層發(fā)育的遺傳程序相互作用，目前尚不清楚足丢。
皮質(zhì)生成是一個動態(tài)的粱腻、高度調(diào)節(jié)的過程，其特征是腦心室和室下區(qū)（VZ斩跌、SVZ）的apical and basal radial glia（RG）和中間祖細(xì)胞（ intermediate progenitors）的擴(kuò)張绍些，即谷氨酸能神經(jīng)元（glutamatergic neurons）的內(nèi)向外生成，星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化來源于背側(cè)前腦以外的細(xì)胞類型滔驶，包括GABA能神經(jīng)元遇革、小膠質(zhì)細(xì)胞和一些少突膠質(zhì)細(xì)胞，也遷移并整合到皮質(zhì)中。解決與這些發(fā)育軌跡相關(guān)的基因調(diào)控動力學(xué)需要在單細(xì)胞分辨率下研究染色質(zhì)和基因表達(dá)狀態(tài)萝快。
為了繪制人類皮質(zhì)發(fā)生的基因調(diào)控邏輯锻霎，我們從妊娠中期8周的人類胎兒皮質(zhì)樣本中生成了單細(xì)胞染色質(zhì)可及性和RNA表達(dá)譜。這些成對的圖譜揭示了一類基因揪漩，其附近有相對大量的putative enhancers旋恼，這些增強子的可及性對基因表達(dá)有強烈的預(yù)測作用。這些具有預(yù)測染色質(zhì)（GPCs：genes with predictive chromatin）的基因通常是TFs奄容，我們觀察到它們的局部可及性先于循環(huán)祖細(xì)胞（ cycling progenitors）中的譜系特異性基因表達(dá)冰更。我們使用來自同一細(xì)胞的單細(xì)胞可及性和表達(dá)譜（多組學(xué)）驗證了這些發(fā)現(xiàn)。
我們定義了皮質(zhì)谷氨酸能神經(jīng)元（glutamatergic neurons）的發(fā)育軌跡昂勒，揭示了與神經(jīng)元特異性和遷移相關(guān)的TF motif 活性的持續(xù)進(jìn)展蜀细，并探索了TF motif 可及性沿此軌跡的相關(guān)性。此外戈盈，我們還鑒定了膠質(zhì)祖細(xì)胞(glial progenitors)的譜系潛能奠衔，并為兩種不同的星形膠質(zhì)細(xì)胞前體亞型提供了證據(jù)。
最后塘娶，我們訓(xùn)練了一個深度學(xué)習(xí)模型归斤，從DNA序列推斷堿基對解析、細(xì)胞類型特異性染色質(zhì)可及性圖譜刁岸。這些模型可以預(yù)測遺傳變異對細(xì)胞類型特異性染色質(zhì)景觀的潛在影響脏里，并優(yōu)先考慮與ASD相關(guān)的罕見新發(fā)遺傳變異，證明在皮質(zhì)發(fā)育過程中利用單細(xì)胞和單堿基分辨率繪制疾病風(fēng)險圖的能力虹曙。
DISCUSSION
在這里迫横，我們生成了皮質(zhì)發(fā)育關(guān)鍵時期的成對轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組圖譜，并描述了DNA結(jié)合因子和順式調(diào)節(jié)元件之間的分子相互作用如何調(diào)節(jié)基因表達(dá)程序酝碳。此外员淫，我們還描述了rare noncoding, de novo mutations如何破壞這種邏輯。
我們鑒定了一組基因（GPC）击敌，這些基因富集譜系決定TFs，這些基因可通過來自單個細(xì)胞的局部染色質(zhì)可及性信號預(yù)測表達(dá)水平拴事，這可能是因為存在大量與表達(dá)相關(guān)的基因沃斤。這些聯(lián)系讓人想起了用于類似現(xiàn)象的其他術(shù)語，包括“super enhancers”和“super-interactive promoters”刃宵。此外衡瓶，GPC的染色質(zhì)可及性與某些循環(huán)祖細(xì)胞（cycling progenitors）中分化程度更高的細(xì)胞狀態(tài)一致。最近牲证，Ma等人報道了一種現(xiàn)象哮针，通過這種現(xiàn)象，在類似定義的調(diào)節(jié)染色質(zhì)區(qū)域的可及性描繪了潛在的未來細(xì)胞狀態(tài)。
我們推測十厢，許多增強子對譜系定義因子的協(xié)同作用使這些因子的表達(dá)更能抵抗干擾等太。譜系決定反式作用因子（TF）的高度協(xié)同調(diào)節(jié)可能是命運決定的一般原則，一旦關(guān)鍵分化基因被表達(dá)蛮放，就作為一種積極的反饋機(jī)制缩抡。有效地，一旦激活包颁，這些增強子可能起到棘輪（ratchet）的作用瞻想，確保穩(wěn)定的基因表達(dá)，并防止在面臨外部或內(nèi)部干擾時沿著分化景觀回溯（backtracking）娩嚼。
通過研究GluN遷移和成熟的軌跡蘑险，我們發(fā)現(xiàn)了一個分子程序，該程序在妊娠8周內(nèi)是一致的岳悟，并由一系列基序定義佃迄。偽時間（pseudotime）內(nèi)神經(jīng)元調(diào)節(jié)活性的差異比發(fā)育階段之間的差異更為顯著。我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)竿音，在偽時間（pseudotime）早期和屎，TFs之間的共同可及性和調(diào)節(jié)相互作用的不同模式，而晚期TFs似乎更獨立地發(fā)揮作用春瞬。
我們還觀察到柴信，在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（glial cells）中，TF調(diào)節(jié)的基因表達(dá)程序大量共享宽气，含有星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞典型標(biāo)記的基因模塊之間存在大量重疊随常。我們驗證了其中幾個基因在人類大腦皮層中的共表達(dá)。我們還提供了證據(jù)證明存在兩種星形膠質(zhì)細(xì)胞樣膠質(zhì)前體細(xì)胞譜系萄涯。盡管神經(jīng)膠質(zhì)模塊廣泛地相互連接绪氛，但我們發(fā)現(xiàn)循環(huán)細(xì)胞（cycling cells）中GPC的染色質(zhì)活性可預(yù)測特定的分化狀態(tài)，這表明進(jìn)入細(xì)胞周期的祖細(xì)胞向特定譜系啟動涝影。
最后枣察，我們將DNA序列與染色質(zhì)可及性聯(lián)系起來的可解釋的細(xì)胞類型特異性深度學(xué)習(xí)模型可用于評估de novo, noncoding mutations的潛在調(diào)節(jié)影響。單個堿基對調(diào)控潛力的建模對于識別這些假定的因果突變至關(guān)重要燃逻，因為與開放染色質(zhì)區(qū)域的簡單重疊不能提供所需的特異性序目。我們觀察到ASD患者的突變豐富，而對照組接近有害蛋白質(zhì)編碼突變的水平伯襟。我們預(yù)計猿涨，隨著越來越多的大規(guī)模ATAC-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)集在發(fā)育過程中可用，類似的方法將允許準(zhǔn)確解釋與其他發(fā)育障礙相關(guān)的非編碼從頭突變的基因調(diào)控影響
Limitations of the study
盡管這些數(shù)據(jù)跨越妊娠中期8周姆怪，但在早期和晚期進(jìn)行分析將有助于進(jìn)一步研究膠質(zhì)細(xì)胞生成和神經(jīng)元成熟叛赚，例如澡绩，將星形膠質(zhì)細(xì)胞前體與成人亞型聯(lián)系起來。特別令人感興趣的是采用快速發(fā)展的譜系追蹤方法來解決此處確定的發(fā)展軌跡俺附。雖然多組數(shù)據(jù)驗證了許多關(guān)鍵推斷肥卡，但使用數(shù)據(jù)整合推斷將單組ATAC-seq與RNA-seq連接起來并推斷細(xì)胞之間的譜系關(guān)系是本研究的一個限制。
此外昙读，我們的細(xì)胞特異性模型考慮variants對僅存在于特定細(xì)胞類型的峰的影響召调。因此，這些細(xì)胞類型特異性模型可能具有更大的意義蛮浑，這是通過在pseudobulk peak調(diào)用中對更大的重疊突變集進(jìn)行評分來實現(xiàn)的唠叛，以便更深入地了解受變體影響的特定細(xì)胞類型。最后沮稚，確認(rèn)本研究中優(yōu)先考慮的非編碼從頭突變的有害性質(zhì)需要在同源細(xì)胞類型中進(jìn)行分子驗證艺沼。
小結(jié)
1.利用多組學(xué)的方法構(gòu)建了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和表觀組大腦發(fā)育圖譜，描述了DNA結(jié)合因子和順式調(diào)節(jié)元件之間的分子相互作用如何調(diào)節(jié)基因表達(dá)程序蕴掏；
2.我們鑒定了一組基因（GPC）（可以通過染色質(zhì)可及性活性區(qū)預(yù)測其基因表達(dá)）障般，這些基因富集譜系決定TFs；
3.偽時間（pseudotime）內(nèi)神經(jīng)元調(diào)節(jié)活性的差異比發(fā)育階段之間的差異更為顯著盛杰。在偽時間（pseudotime）早期挽荡，TFs之間的共同可及性和調(diào)節(jié)相互作用的不同模式，而晚期TFs似乎更獨立地發(fā)揮作用即供。
4.在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（glial cells）中定拟，TF調(diào)節(jié)的基因表達(dá)程序大量共享，含有星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞典型標(biāo)記的基因模塊之間存在大量重疊逗嫡。
5.再開發(fā)了一種細(xì)胞類型特異性富集模型去預(yù)測變異可能在的細(xì)胞類型青自。
總結(jié)近兩年cell文章發(fā)現(xiàn)，圖譜類文章一般構(gòu)建圖譜進(jìn)行描述+常規(guī)分析+構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型/開發(fā)軟件驱证。
接下來將分版塊介紹這篇文獻(xiàn)所用到的不同的分析方法延窜。
