IF50.5｜发育中人脑的时空三维多组学动态

单细胞多组学揭示染色质构象与DNA甲基化在脑发育中的异步重塑，并定位精神分裂症风险位点。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

人类海马与前额叶皮层在学习和认知中发挥关键作用，但其发育过程中的分子动态仍不明确。此前研究已表明，脑发育伴随全基因组范围的DNA甲基化与染色质构象重排，且非CG甲基化在神经元中特异性积累。然而，这些表观遗传和三维基因组变化在产前人脑中的单细胞分辨率轨迹尚未被系统刻画，也缺乏与出生后发育阶段的直接比较。

科学问题

卡在哪里： 已有研究多基于bulk测序或仅覆盖出生后阶段，缺乏对产前人脑单细胞水平上DNA甲基化与染色质构象动态的联合解析，且尚未阐明两者在发育时序上的关系。

本文要回答： 利用单细胞多组学技术，系统描绘人脑海马与前额叶皮层发育过程中染色质构象和DNA甲基化的动态变化，并解析其在细胞类型分化及神经精神疾病风险中的作用。

技术路线

作者主要用了：snm3C-seq3、单分子染色质示踪、MERFISH、免疫荧光、单细胞RNA-seq整合。

作者利用snm3C-seq3技术对13个发育期及成人额叶皮层样本和9个海马样本进行单核多组学测序，同时获取染色质构象和DNA甲基化信息。通过整合CG/CH甲基化与3C数据，识别出139个细胞群体，并利用伪时间分析重建发育轨迹。进一步结合单分子染色质示踪和MERFISH成像，在空间上验证了细胞类型特异的染色质构象特征。最后，利用DMR和染色质环注释进行精神疾病遗传力富集分析，定位潜在因果变异。

图 1　Fig. 1。图1展示研究设计和细胞类型图谱：UMAP显示139个细胞群体，按谱系、脑区和发育阶段着色。兴奋性神经元在PFC和HPC间表观组差异明显，而抑制性神经元和非神经元细胞共享。非CG甲基化在海马神经元中早于PFC出现，提示区域发育时序差异。

核心亮点

亮点 1｜染色质构象与甲基化异步重塑

通过伪时间分析发现，在放射状胶质细胞向星形胶质细胞分化过程中，染色质相互作用的重塑主要发生在妊娠中期，而CG甲基化的成熟则延迟至出生后甚至成年。基因组范围的比较显示，大多数细胞类型分化轨迹中均存在这种时间分离，提示不同表观遗传层在发育中可能独立调控。

图 2　Fig. 2。图2聚焦皮层RG来源的神经元和胶质细胞伪时间轨迹。联合伪时间显示染色质构象在RG-1到RG-2到星形胶质细胞分化中连续重塑，而CG甲基化变化滞后。基因体CG甲基化与3C基因评分负相关，细胞类型标记基因在神经元成熟中免受非CG甲基化积累。

亮点 2｜神经元特异短程染色质构象

单细胞3C距离分布聚类显示，神经元富集短程相互作用（SE构象），而胶质细胞和非神经细胞富集长程相互作用（LE构象）。对bulk Hi-C数据的重分析证实SE构象为神经元特有。成像实验进一步验证，在妊娠中期海马中，新分化的兴奋性神经元已建立SE构象，且与核体积和H3K9me3修饰相关。

图 3　Fig. 3。图3展示单细胞3C距离分布聚类。神经元富集短程相互作用簇（SE），胶质和非神经细胞富集长程相互作用簇（LE）。bulk Hi-C数据验证SE为神经元特异。RG-1向兴奋性神经元分化时快速获得SE构象，而星形胶质细胞分化转向LE构象。

亮点 3｜染色质环与结构域动态

在神经元分化轨迹中，发育获得的染色质环数量远多于丢失的环（超过10倍），与SE构象的增强一致；而星形胶质细胞分化中环的获得与丢失数量相当。此外，神经元分化过程中结构域边界获得多于丢失，而胶质细胞分化则相反，表明全局染色质构象变化深刻影响局部结构。

图 4　Fig. 4。图4展示多模态成像验证：对染色体14进行354个位点的顺序成像，重建单细胞染色质构象。MERFISH同时检测298个基因表达。成像显示神经元中短距离基因组位点空间距离更近，长距离更远，与SE构象一致。RG-2比RG-1染色体更紧凑，且远端距离与核体积相关。

亮点 4｜调控程序与风险位点定位

通过分析超过250万个DMR，发现兴奋性和抑制性神经元在妊娠中期富集谱系特异性转录因子结合基序，而妊娠晚期至婴儿期富集活动依赖性转录因子（如FOS、JUN）。利用分层LDSC，发现染色质环连接的DMR对精神分裂症和双相情感障碍的遗传力富集显著高于所有DMR，且富集程度在婴儿期神经元中达到峰值。

图 5　Fig. 5。图5展示DMR聚类和疾病遗传力富集。DMR按谱系和发育阶段聚类，轨迹DMR和分支DMR揭示转录因子时序调控。染色质环连接的DMR对精神分裂症遗传力富集显著更高。示例位点rs500102位于L4-5兴奋性神经元中与RORB启动子连接的环内，并伴有细胞类型特异的甲基化降低。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： snm3C-seq3、单分子染色质示踪、MERFISH、免疫荧光、单细胞RNA-seq整合
• 公开数据： GSE213950
• 代码： 公开仓库 https://github.com/cfg00/MERFISH_Chromatin_Tracing_2024、https://github.com/luogenomics/Taurus-MH、https://github.com/luogenomics/demultiplexing；本地已克隆：demultiplexing、Taurus-MH、MERFISH_Chromatin_Tracing_2024、methylpy、snm3Cseq_feature_processing
• 谁该点开原文： 从事神经发育、表观遗传学或精神疾病遗传学研究的生信人员。

带走一句

单细胞多组学能揭示不同表观遗传层在发育中的异步动态，并为非编码变异的功能注释提供细胞类型和发育阶段特异的框架。