大腦是哺乳動物體內最復雜的器官，具有多種多樣的生理機能，錯綜復雜的細胞結構以及極為豐富的基因表達。在不同腦區(qū)、細胞和亞細胞層面鑒定大腦的分子構成，必將推進我們對正常和患病狀態(tài)下大腦功能的認識和理解。

美國時間3月5日，由卡羅林斯卡學院、瑞典皇家理工學院和華大等團隊共同完成的一項題目為“人類、豬、小鼠大腦中的蛋白編碼基因圖譜”的研究發(fā)表于Science（影響因子41）。該研究基于多種轉錄組學方法和抗體圖譜技術，對大腦不同區(qū)域進行了全面、深入的分子解析，并且提供了高質量的蛋白編碼基因的分子圖譜，為進一步研究提供了有力的武器。

人類蛋白圖譜（The Human Protein Atlas，HPA）是一個大規(guī)模研究項目，旨在結合轉錄組學與蛋白組學，探索不同細胞、組織和器官的轉錄本和蛋白質的空間表達水平。目前，HPA下的組織圖譜（The Tissue Atlas）僅僅包含有限的幾個人類大腦區(qū)域（大腦皮層、海馬、尾狀核和小腦）的數(shù)據。正因如此，我們迫切需要更加深入的研究，從而增進對于中樞神經系統(tǒng)的細胞動力學背后復雜的分子過程的理解。

該研究成功地構建了哺乳動物大腦的基因圖譜，是對現(xiàn)有的若干個大腦圖譜項目的重要補充。為了確定大腦在不同系統(tǒng)發(fā)育順序上的差異和相似性，研究涵蓋了三個物種的表達譜：靈長類動物（人），偶蹄目（豬）和嚙齒目動物（小鼠）。研究的重要部分之一是將蛋白圖譜和轉錄組數(shù)據相結合，對小鼠大腦多個區(qū)域的特定蛋白進行了深入研究。所有數(shù)據——包括高分辨率圖像和元數(shù)據——全部公開以便后續(xù)研究。

研究團隊首先對GTEx、CAGE和HPA數(shù)據庫的人轉錄組數(shù)據，以及豬和小鼠的轉錄組數(shù)據進行了歸一化，從而消除批次效應，便于進行比較分析。團隊利用UMAP（The Uniform Manifold Approximation and Projection，一種降維算法）分析不同腦區(qū)間的基因表達模式，并借助現(xiàn)有的HPA腦圖譜數(shù)據，將豬和小鼠的轉錄組數(shù)據一對一地對應到人的同源基因上。三個物種的大腦均被劃分成10個區(qū)域，分別是嗅球、大腦皮質、海馬體、杏仁核、基底核、下丘腦、丘腦、中腦、腦橋和延髓，以及小腦。聚類結果顯示，三個物種的腦干區(qū)（中腦、丘腦、腦橋和延髓）的基因表達較為接近，與下丘腦的差異也較小，而大腦皮質、海馬體和杏仁核互相之間更為接近。為了確定不同腦區(qū)的分子特征，研究團隊根據基因表達特異性進行了分類。在三個物種中，小腦都是包含最多特異性上調基因的腦區(qū)。為了進一步分析不同物種間上調基因的差異，研究人員按大腦結構進行了劃分：大腦、下丘腦、腦干和小腦。圍繞這些上調的基因，分層樹分析支持了先前的大腦結構理論，下丘腦和小腦被聚類到了一起，與此同時腦干和大腦也聚類到一起。

圖1.三個物種不同腦區(qū)的基因表達特征

研究團隊鑒定出537個不同腦區(qū)高表達的基因，包括人們較為熟知的甘丙肽、催產素、加壓素編碼基因（下丘腦），TBR1, SATB2和NEUROD6等轉錄因子（大腦），Hox基因（腦干）等，也有一些高表達基因的功能尚待進一步的探索。對這些基因的表達進行物種間的比較帶來了許多新發(fā)現(xiàn)，比如，由中間神經元細胞表達的轉錄因子TFAP2B在三個物種間有著相似的表達，而促泌素（secretagogin，SCGN），一種在嗅球中表達的鈣結合蛋白，在人小腦的星狀細胞中也有表達，而在豬和小鼠中則沒有。這些差異表達基因可能與大腦的某些功能相關聯(lián)。

圖2.物種間的基因表達比較

大腦功能的實現(xiàn)有賴于不同類型的、具有不同“化學表型”的神經元構成的復雜回路。研究人員分析了三個物種細胞識別基因的分布情況，包括：1053個轉錄因子；與神經遞質生成、運輸和清除相關的63個相關基因；以及118個已知的神經遞質和神經肽的受體的基因。某些轉錄因子在物種間是高度保守的，如EMX1和BHLHE22。而某些則在物種間差異較大，如NEUROD1作為小鼠小腦發(fā)育的關鍵基因之一，不僅在小腦，而且在豬和小鼠的視網膜細胞中也有表達，人視網膜細胞則沒有。

圍繞神經遞質產生和運輸?shù)南嚓P基因，研究人員發(fā)現(xiàn)負責合成神經遞質的酶在三個物種的分布較為相似，體現(xiàn)出哺乳動物大腦構成的保守性，而少數(shù)例外情況，也即不同物種間的差異，可能會為神經藥理學研究提供一些線索。比如和目前至少30%處方藥的作用機制密切相關的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）的相關基因，在三個物種間的表達模式存在差異，因此在新藥研發(fā)的動物實驗中應該加以考慮。

圖3.哺乳動物大腦中細胞識別基因的表達譜

研究人員對大腦相對于全身其他組織/器官的基因表達進行了比較分析，分為腦組織上調基因、其他組織上調基因和低組織特異性基因。對于公認的420個神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞的特征基因（signature gene）的分析表明，這些基因在其他組織也可能有高表達，在相關的研究中應該采取更為全面與整體性的視角。

圖4.大腦中特征基因在全身各組織的表達

總而言之，該研究結合轉錄組學、蛋白圖譜等多維度數(shù)據，對人、豬、小鼠腦中的編碼基因進行了深入、細致的解析。人類大腦圖譜（Human Brain Atlas，http://www.proteinatlas.org/brain）的構建，將為全世界研究者提供更為豐富的數(shù)據資源，以利于對哺乳動物大腦的基因組學研究和進一步探索。

附

華大智造測序平臺

本項研究基于華大智造MGISEQ-2000和BGISEQ-500測序平臺完成。據悉，MGISEQ-2000是華大智造基因測序儀的主力機型，單機運行數(shù)據產出達75-1440GB, 支持多種讀長，滿負荷PE150最快僅需38小時，支持科研、醫(yī)學臨床、司法、農業(yè)等領域應用。

華大智造MGISEQ-2000測序平臺

該測序儀以華大智造獨有的DNBSEQTM技術為核心，是一款全面靈活型的大通量測序平臺，可靈活支持多種不同的測序模式，能在較短時間內完成完整的測序流程。其數(shù)據產出具有高準確性、低重復序列率和低標簽跳躍的優(yōu)勢（MGISEQ-2000在部分海外國家產品名稱切換為DNBSEQ-G400）。