近日，来自中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的孙怡迪研究员、海南大学生物医学工程学院的雷莹教授及杭州华大生命科学院研究员刘石平团队在线发表了题为“Single-cell spatial map of cis-regulatory elements for disease-related genes in the macaque cortex”的最新研究成果。相关论文发表在Nature Communications。该研究首次构建了覆盖食蟹猴142个皮层区域的、单细胞分辨率的细胞类型特异性顺式调控元件空间图谱。不仅系统解析了驱动细胞类型层或区域特异性的基因调控基础，更通过跨物种比较和疾病关联分析揭示了灵长类特异性兴奋性神经元中富集的CREs与精神分裂症风险的显著关联，以及小胶质细胞中调控阿尔茨海默病关键基因的灵长类偏好型CREs。该工作为理解灵长类大脑的基因调控机制和脑疾病的细胞类型特异性起源提供了关键数据资源和全新视角。

大脑皮层是哺乳动物认知、情感与行为的高级中枢，其复杂的结构与功能主要建立在高度多样化的细胞类型上。伴随着高通量单细胞组学技术的发展，在哺乳动物大脑皮层中解析了成百上千种细胞亚群。然而，这些复杂的细胞类型主要依赖于细胞内部的基因调控实现功能特化，包括顺式调控元件(Cis-regulatory element, CRE)、转录因子(Transcript factor, TF)。

先前研究主要集中于啮齿类动物小鼠大脑、或仅对灵长类大脑的特定脑区进行单细胞染色质开放性分析，且缺乏空间信息的不足，当前对灵长类大脑皮层内CRE的细胞类型特异性和空间分布的认识仍十分有限。

本研究对来自两只食蟹猴的142个皮层脑区进行snATAC-seq测序，共获取了1615430个高质量细胞核的染色可及性谱，共鉴定了230个依赖于染色质可及性定义的细胞群以及615873个候选CRE。为了获取这些调控元件的空间定位，团队开发了一个基于自编码器和生成对抗网络的深度学习模型，采用最优传输方法实现细胞的一对一映射，从而获取了猕猴全皮层内细胞类型特异性顺式调控元件空间图谱。

研究围绕着猕猴皮层结构与分子功能的关联、灵长类在进化中形成的特异性基因调控机制、以及精神性神经疾病的形成机理这三个核心问题展开：研究构建了初级视觉皮层(V1)所特异性富集的兴奋性神经亚类L4_2的基因调控网络，鉴定了核心驱动转录因子MEF2C及其结合的CRE与靶基因CPA6，通过RNAScope实验证明了在V1的特异性分布及共表达模式。还系统解析了食蟹猴大脑内层次特异性、视觉环路相关细胞类型的基因调控程序。这些结果表明细胞类型在皮层中的空间分布偏好，很大程度上由其内在的基因调控程序所驱动的。跨物种比较分析进一步揭示了在第4层富集的灵长类特异性兴奋性神经元亚类以及哺乳动物保守型细胞类型中人类/猕猴偏好的CREs，其中60%以上的元件转座子元件相交，提示转座子元件是驱动人类/猕猴偏好的CREs形成的主要原因。全基因组关联研究进一步发现L4_3亚类中携带精神分裂症风险SNP的人类/猕猴偏好型CREs表现出比哺乳动物保守型CREs更高的可及性，富集阿尔茨海默病(AD)风险SNP的人类/猕猴偏好型CREs关联的基因，参与β-淀粉样蛋白清除、LDL反应及小分子代谢等AD形成的典型通路。这些结果表明人类/猕猴偏好型顺式调控元件调控了精神分裂症与阿尔茨海默病发病机制相关的独特基因程序，提示其可能作为物种特异性的治疗靶点。

综上所述，该研究系统构建了猕猴大脑皮层基因调控机制解析领域首个综合性的、细胞类型水平的基因调控元件空间分布图谱，系统解析猕猴皮层中驱动区域特异性、层分布偏好以及与视觉功能环路相关联的基因调控机制。在方法学层面，建立了跨模态空间映射与跨物种整合分析的研究范式，进而揭示了在进化过程中形成的人类/猕猴特异性顺式调控元件与神经精神性疾病风险位点之间的特异性关联，为后续探索神经精神性疾病的发生机制、发掘潜在干预靶点提供了重要的理论依据和数据支撑。

脑智卓越中心博士研究生孟娟、硕士研究生孙永康、科研助理胡楷洁、杭州华大研究所的博士研究生陈成、硕士朱志勇、以及上海科技大学的博士研究生黄奕铭为该研究的共同第一作者。脑智卓越中心孙怡迪研究员作为第一通讯作者，负责研究的整体设计与指导。该研究得到了国家科技部、基金委的资助。此外，临港实验室与上海市科技发展基金也为该研究的顺利推进提供了有力支持。