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哺乳动物基因组的转录和三维（3D）结构在神经发育及其疾病中都起着至关重要的作用。但是，单脑细胞的3D基因组结构尚未解决。出生后对单细胞转录组和3D基因组的动力学知之甚少。
2021年1月22日，北京大学谢晓亮团队与Karl Deisseroth（张锋导师）团队合作在Cell 在线发表题为“Changes in genome architecture and transcriptional dynamics progress independently of sensory experience during post-natal brain development”的研究论文，该研究通过对数字转录组学（MALBAC-DT）和二倍体染色质使用高分辨率的基于多重退火和循环的扩增循环，生成了发育中的小鼠皮质和海马体的转录组（3,517个细胞）和3D基因组（3,646个细胞）。
在成年人中，3D基因组“结构类型”描绘了所有主要细胞类型，染色质A / B区室与基因表达之间具有高度相关性。在发育过程中，转录组和3D基因组均在出生后的第一个月被广泛转化。在神经元中，3D基因组跨尺度重新连接，与基因表达模块相关，并且与感觉体验无关。最后，该研究检查了印迹基因的等位基因特异性结构，揭示了局部和染色体（chr）范围的差异。这些发现揭示了神经发育的未知维度。
哺乳动物基因组的两个密切相关的维度-基因转录和三维（3D）基因组架构-对神经系统的发育都至关重要。细胞类型特异性基因表达，染色质结构，感觉体验和其他因素（例如表观遗传标记）之间的动态相互作用是大脑巨大的可塑性和功能的基础。转录和染色质结构的失调导致神经发育障碍，例如自闭症和精神分裂症。基因组拓扑结构还决定了人类神经元中体细胞DNA损伤和突变的分布。在表征脑转录组和3D基因组方面已取得了最新进展。但是，现有研究存在3个局限性。首先，单脑细胞的3D基因组结构尚未解决。例如，大量染色质构象捕获（3C / Hi-C）分析只能测量3D基因组的整体平均图。它们还将神经元（和/或神经胶质）的各种亚型聚集在一起，掩盖了特定于细胞类型的特征。到目前为止，大量的Hi-C仅揭示了在体外分化的神经元中的3D基因组重折叠或在单个时间点分离胚胎小鼠的大脑。单细胞3C / Hi-C已在成人的大脑中实现，但分辨率低，没有3D结构且仅根据结构信息无法区分不同的神经元亚型。第二，单细胞转录组的动力学尚未在哺乳动物脑中进行全面研究。尽管转录多样性已在成年和胚胎大脑中表征，只有少数研究探讨了其出生后的动力学，每个研究都采样了有限的时间点。此外，这些研究大多数使用低灵敏度方法，每个细胞检测到很少的转录本。第三，现有方法无法结合其他omic数据集提供对单细胞3D基因组数据的深入，综合分析。由于上述原因，现有的研究既无法解决大脑的多种转录细胞类型与其潜在的3D基因组“结构类型”之间的真正关系，也无法追踪它们在体内发育过程中的相互作用。在这里，该研究填补了这一长期存在的技术和知识空白。该研究使用数字转录组学（MALBAC-DT）方法的高度灵敏且准确的基于多个退火和循环的扩增循环，创建了发育中的小鼠前脑的转录组图谱，涵盖了来自2个大脑区域和7个时间点的约3500个单细胞。使用二倍体染色质构象捕获（Dip-C）方法的简化版本，该研究创建了3D基因组图谱，包括涵盖了来自2个大脑区域和6个时间点的约2,000个单细胞接触图及800个3D结构。该研究进一步分析了感官剥夺小鼠的视觉皮层中的3D基因组，在5个时间点有约1,700个单细胞。最后，该研究开发了多组数据可视化和分析方法。该研究直接解决了发育生物学中的几个基本问题。在转录组方面，该研究观察到出生后第14天左右所有三个主要细胞谱系（神经元，星形胶质细胞和少突胶质细胞）的主要转化。在神经元中，转录组变异的主要来源是2个发育调控的相关基因模块。在3D基因组方面，该研究发现细胞类型同一性是在基因组的3D布线中编码的，因为仅3D基因组结构就能将单个细胞分成13种“结构类型”。在结构类型之间，不同的染色质A / B区划与细胞类型特异性基因表达密切相关。该研究在所有3个细胞谱系中观察到了P7和P28之间的主要3D基因组转化。6种成人神经元亚型仅在此过渡过程中出现。相比之下，新生儿神经元采用了更原始的3D基因组状态，类似于胚胎神经元和体外培养/分化的神经元。该研究揭示了大规模的神经元特异性重塑，它可能与非CpG DNA甲基化有关，并且与周围神经系统的3D重塑有着惊人的相似性。该研究还观察到了发育和/或疾病相关基因及其增强子的局部和远程3D重新布线。单细胞染色质A / B（scA / B）区室的变化与发育调控的基因模块相关，尽管许多基因在表达和3D结构上显示出不一致或随时间变化的变化。此外，感觉剥夺对视觉皮层中的3D基因组几乎没有影响，表明3D转化是遗传预定的。最后，该研究报告了印迹基因的全基因组，等位基因特异性调查。该研究在29个已知的印迹基因座中的至少7个中发现了起源于母体的特定结构。在极端情况下，可以观察到等位基因差异扩展了Prader-Willi / Angelman综合征（PWS / AS）基因座的数十个Mb。https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.032
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