照亮DNA“暗物質”！《細胞》發文繪制人類單細胞染色質圖譜

這些DNA占據人體基因組的98%，但它們無法編碼蛋白質，一度被認為是“垃圾”……直到最近，這些非編碼區DNA在生命活動和疾病中的作用才開始受到重視。在一項發表于《細胞》雜志的研究中，美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD）任兵教授帶領的團隊就利用一段關鍵的非編碼區域，繪制出人類基因組單細胞染色質圖譜，為我們理解眾多疾病的機制提供重要的數據支持。

21世紀初，人類對自身的認知因為一個規模浩大的國際合作項目而前進了一大步。人類基因組計劃繪制出人體97%的基因組，這個偉大的項目為我們譜寫了一本鴻篇巨制的生命天書。不過人們也注意到，仍有大量生命現象無法通過這張人類基因組草圖得到解釋，這本天書里仍有大量等待填寫的空白。

一個重要原因在于，人體只有不到2%的基因組能夠編碼蛋白質，直接指導一系列生命活動；而超過98%的基因組都處于非編碼區，無法參與蛋白質的編碼。很長一段時間內，這些非編碼區DNA都是一個謎，因為它們看上去與生命活動沒什么關聯。因此，有人將它們稱作DNA中的“暗物質”甚至是“垃圾”DNA。

直到最近幾年，科學家才逐漸意識到，這些DNA“暗物質”雖然不直接參與蛋白質的編碼，但它們與基因的表達與調控，以及一系列疾病的機理關系密切。

在非編碼區，由啟動子、增強子、調控序列和可誘導元件等組成的順式作用元件（cis-regulatory elements）極為重要。這個區域參與調控基因的轉錄過程，而順式作用元件上的突變，與包括糖尿病、阿爾茨海默病、自身免疫病在內的多種疾病密切相關。

但是，人類基因組中順式作用元件圖譜的缺失，成為了我們理解非編碼區突變道路上的一大障礙。

一個名為DNA元件百科全書（簡稱ENCODE）的國際合作項目，正試圖讓這些“暗物質”撥云見日。ENCODE的一個重要目標，便是解析非編碼區DNA的結構與功能。

最近幾年，ENCODE項目已經分別在人類和小鼠基因組中識別出了數十萬個順式作用元件。不過此前的研究也存在局限性，那就是取樣的細胞類型極為有限。例如，人體的細胞類型有超過200種，而順式作用元件的生物學活性在不同類型的細胞中差異巨大。因此，只有對盡可能多的人體細胞類型進行研究，才能獲取更為全面的順式作用元件圖譜。

在這項發表于《細胞》的最新研究中，任兵教授團隊實現了這一目標。

通常情況下，染色質中的組蛋白與DNA緊密纏繞，使得近2米長的DNA可以被包裹在直徑10微米的細胞核中。只有在DNA進行轉錄時，DNA才會脫離纏繞的狀態，裸露出需要與轉錄因子結合的位點——而在轉錄過程起到關鍵作用的順式作用元件就很可能暴露在外，從而被單細胞測序技術檢測出來，成為構建染色質圖譜的突破口。

在這項研究中，任兵教授團隊利用高通量單細胞ATAC-seq測序技術，分析了來自30個不同的成年人組織類型的超過60萬個人體細胞，這些細胞的數據構建了一張單細胞染色質圖譜。

▲來自成年人和胎兒的數據構建了龐大的順式作用元件圖譜（圖片來源：參考資料[1]）

隨后，他們將上述數據與此前研究中來自胎兒的數據進行了集成分析。最終從包含30個成人組織和15個胎兒組織的222種細胞類型中，研究團隊識別出120萬個順式作用元件, 約占人類基因組的15%。這份涵蓋了人體發育不同階段的龐大圖譜，可以為理解發育過程中的疾病，以及尋找致病基因奠定重要的數據基礎。

此外，這項研究還通過全基因組關聯分析，明確了與240個疾病或多基因性狀相關的細胞類型，并且識別出順式作用元件中的突變的致病風險。這些寶貴的數據也將推動更多關于人類疾病機制的研究。

值得一提的是，就在今年10月，任兵教授團隊剛剛在《自然》雜志發表論文，繪制了小鼠大腦中順式作用元件的圖譜，并且揭示了這些順式作用元件與人類基因組的相似性或同源性。僅僅一個月后，任兵教授團隊再次在頂級期刊發文，將戰場轉移至人體。

注：原文有刪減

參考資料：

[1] Kai Zhang et al., A single-cell atlas of chromatin accessibility in the human genome. Cell (2021). https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.024

[2] Illuminating dark matter in human DNA. Retrieved Nov 12th, 2021 from https://phys.org/news/2021-11-illuminating-dark-human-dna.html

[3] Li, Y.E et al., An atlas of gene regulatory elements in adult mouse cerebrum. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03604-1