在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，探索大腦發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病的奧秘，離不開(kāi)對(duì)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的深刻理解。然而，傳統(tǒng)的短讀長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)(如ATAC-seq)就像一副度數(shù)不夠的眼鏡，讓我們?cè)谟^察復(fù)雜的大腦表觀基因組時(shí)，總有超過(guò)50%的區(qū)域處于模糊甚至“失明"的狀態(tài)。

這一困境如今迎來(lái)了顛-覆性的解決方案。來(lái)自西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的研究人員，利用EpiCypher的Fiber-seq技術(shù)對(duì)人腦組織進(jìn)行了深度分析，為我們揭開(kāi)了前-所未-有的清晰圖景。

傳統(tǒng)技術(shù)的“盲區(qū)"與Fiber-seq的“全視界"

傳統(tǒng)的染色質(zhì)開(kāi)放性分析技術(shù)，受限于100-150bp的短讀長(zhǎng)，難以對(duì)高度重復(fù)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的基因組區(qū)域進(jìn)行有效比對(duì)。這導(dǎo)致了超過(guò)一半的人類(lèi)基因組在表觀遺傳學(xué)研究中成為“暗物質(zhì)"，而這些區(qū)域恰恰蘊(yùn)藏著與神經(jīng)退行性疾病風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)的重要調(diào)控信息。

Fiber-seq，作為一種多組學(xué)長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)，完-美地克服了這一瓶頸。它無(wú)需PCR擴(kuò)增，能夠直接在單條染色質(zhì)纖維上，以單分子分辨率同時(shí)解析染色質(zhì)開(kāi)放性、DNA甲基化、蛋白質(zhì)足跡和遺傳變異。這項(xiàng)技術(shù)就像一個(gè)高精度的探針，能夠深入那些曾被認(rèn)為“無(wú)法 mapping"的基因組深處。

Fiber-seq unravels multiple layers of chromatin regulation

Fiber-seq detects protein footprints genome wide

人腦表觀基因組圖譜的重大突破

在發(fā)表于《Cell Reports Methods》的這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們應(yīng)用Fiber-seq對(duì)人腦前額葉皮層中分離出的神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞核進(jìn)行了分析，取得了多項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)：

* 發(fā)現(xiàn)20,000個(gè)“新大陸"： 研究最震撼的成果是，F(xiàn)iber-seq識(shí)別出了約20,000個(gè)此前被短讀長(zhǎng)測(cè)序遺漏的染色質(zhì)開(kāi)放區(qū)域。這些區(qū)域大多位于基因組的重復(fù)序列中，例如與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的哺乳動(dòng)物散布重復(fù)序列（MIRs）。這一發(fā)現(xiàn)徹-底改變了我們對(duì)大腦調(diào)控元件的認(rèn)知版圖。

* 單核小體分辨率的精細(xì)刻畫(huà)： Fiber-seq能夠清晰地區(qū)分單個(gè)核小體和連接DNA，從而精確定義了轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和調(diào)控基序附近的核小體位置。這種超高分辨率讓我們得以在等位基因?qū)用嫜芯咳旧|(zhì)的組織模式。

* 解析順式調(diào)控的“協(xié)同作用"： 基因調(diào)控往往涉及相距甚遠(yuǎn)的增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的協(xié)同作用(即“共開(kāi)放"區(qū)域)。由于這些區(qū)域的平均距離在13-16kb，短讀長(zhǎng)技術(shù)幾乎無(wú)法捕捉。而Fiber-seq憑借其長(zhǎng)讀長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，成功捕獲了這些在單條長(zhǎng)讀長(zhǎng)上共開(kāi)放的調(diào)控元件，并將風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)與相鄰的共調(diào)控元件聯(lián)系起來(lái)。

* 定位關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子： 在非神經(jīng)元細(xì)胞中，研究精確識(shí)別出了對(duì)少突膠質(zhì)細(xì)胞存活至關(guān)重要的NFY/SP1轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，以及在星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控中發(fā)揮作用的SOX9/NEUROD1因子。這些發(fā)現(xiàn)為理解細(xì)胞特異性的基因調(diào)控機(jī)制提供了直接證據(jù)。

邁向更清晰、更完整的人腦疾病圖譜

Fiber-seq技術(shù)在解析細(xì)胞特異性啟動(dòng)子/增強(qiáng)子、復(fù)雜基因組位點(diǎn)的調(diào)控元件、單倍型特異性調(diào)控機(jī)制以及轉(zhuǎn)錄因子足跡方面，展現(xiàn)出了遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

研究團(tuán)隊(duì)下一步的計(jì)劃是，利用Fiber-seq對(duì)比正常人與神經(jīng)疾病患者的大腦樣本。這無(wú)疑將極大地增進(jìn)我們對(duì)神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病(如阿爾茨海默病等)的分子機(jī)制的理解，并為開(kāi)發(fā)全新的治療策略指明方向。

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