在视觉系统中，视杆细胞是视网膜的主要细胞类型，但是单个视杆细胞的3D基因组结构尚未确定。在嗅觉系统中，嗅觉神经元是小鼠嗅觉上皮的主要细胞类型。嗅觉神经元通过表达气味受体编码基因OR来感知气味。老鼠基因组拥有近1100个OR基因，分布在17个染色质的50个位点上。已有研究表明，每个成熟嗅觉神经元只选择父本和母本等位基因中的一个OR基因稳定表达。嗅觉神经元是如何建立和维持这种“一个神经元，一个受体”的表达仍是一个长期未得到解答的难题。

针对以上两个难题，谢晓亮教授的哈佛大学研究团队利用二倍体染色质构象捕获(Dip-C)方法重构了视觉和嗅觉组织中单个感觉神经元的3D基因组结构并进行了比较，分辨率为20 kb。研究发现，与其它类型细胞相比，视杆细胞的3D基因组呈现出常染色质和异染色质的倒置径向分布，致使其核边缘以异染色质为主。在嗅觉神经元中却没有观察到类似的全基因组反转。此外，嗅觉神经元聚集了来自不同染色体的OR基因和多个增强子，并将这些OR基因和增强子置于其细胞核中心，与非神经元细胞形成鲜明对比。近日，相关研究成果发表在Nature Structural & Molecular Biology。哈佛大学化学与化学生物学系谢晓亮教授实验室的谭隆志博士和邢栋博士为文章共同第一作者。

图1. 该研究作为Nature Structural & Molecular Biology封面文章发表

神经元的多样性对于神经系统行使复杂功能至关重要，不同神经元特征的建立部分原因在于细胞核内基因组的空间结构。Hi-C技术能够分析全基因组的DNA互作关系，为了解不同神经元特征的相关性提供了技术支撑。但Hi-C技术通常需要大量的细胞来分析，而大量样本分析无法捕获细胞与细胞之间的差异。为解决这一问题，该研究团队使用了一种改良版的单细胞Hi-C技术Dip-C，该技术能够重构单个二倍体细胞的3D基因组。

此前研究证明，嗅觉神经元和视杆细胞内的异染色质和常染色质在细胞核内的分布与其他大部分细胞具有显著的差异。在普通细胞里，异染色质位于细胞核外周，而常染色质朝向核内部。与之相反，在夜间活动动物的视杆细胞中，异染色质位于细胞核中心处，常染色质则位于细胞核外周。成熟嗅觉神经元中也会有类似的情况，但没有这么极端，异染色质同样也趋向于向核中心聚合，但也有一些异染色质分布在核外周。在这项最新研究中，研究人员成功重建了409个小鼠视觉和嗅觉神经元单细胞3D基因组结构及其特殊结构，并以所有相邻位点的CpG频率作为指标，鉴定了两种不同染色质。（图2a）

图2. 单个感觉神经元中的3D基因组结构。

来自视网膜的132个小鼠视杆细胞横跨其染色质构型发育的三个时间点：成年（8周），青年（4周）和新生儿（1周）。来自嗅觉上皮的277个细胞来自成年（3-6周）和新生（5天）小鼠，后者已知携带同时表达多个OR基因的未成熟OSN。在嗅觉上皮中，每个组织都包含年轻和老化细胞。然而，在视网膜中，在小鼠出生1周之后新产生的细胞很少。

尽管嗅觉神经元和视杆细胞的细胞核特征相似，但是它们在OR基因表达方面完全不同。3D DNA FISH实验证明，即使OR基因分布在基因组不同区域，但都会聚集在细胞核中心，并且与中央区域抑制性异染色质区域相关。那么细胞核结构是如何维持单个OR基因表达的呢？有研究发现，大量增强子序列对附近OR基因具有顺式调控作用，但同时这些序列也会对位于不同染色质的OR基因表达产生反式调控。这些研究结果反应了一种模型，即OR基因增强子和OR基因一样位于不同染色体上，这些增强子在细胞核中聚集产生相互作用，并激活单个OR基因，进而影响单基因表达。基于此，研究团队进行了染色质空间分布研究。

单个二倍体细胞3D基因组结构的重塑让研究团队能够观察细胞核中染色质的空间分布。该研究分析表明，视杆细胞和嗅觉神经元核内的染色体混合情况远超过其他细胞类型（图2b）。视杆细胞和嗅觉神经元的染色体间互作频率超过40%，高于其各自的祖源细胞和其他类型细胞。在具有更多分隔染色体区域的细胞中，这类互作频率会降低。研究人员猜测，较高的染色体互作频率可能有利于视杆细胞和嗅觉神经元中出现反式互作。

谢晓亮教授

该研究团队进一步分析发现，成熟嗅觉神经元的细胞核中，OR基因和增强子之间存在频繁的染色体间互作。在视杆细胞、视杆和嗅觉祖源细胞的核内都没有发现这种现象。表明在成熟嗅觉神经元中，反式互作具有特殊的基因调控功能，形成多增强子聚集体。需要注意的是，到目前为止，单个嗅觉神经元细胞核内全部增强子聚集体的组成和分布还没有人研究过。

Dip-C技术能够区分来自父本和母本的OR基因及增强子。利用重建的单细胞3D基因组结构，研究团队对OR基因及其增强子之间的互作进行了全面的分析，包括~2,000 OR基因和126个增强子。研究结果显示，在每个嗅觉神经元中，来自不同染色质的OR基因都会趋向细胞核内部，其中大部分位于中心染色质聚集区附近，该结果与之前的DNA-FISH数据一致。研究人员预期的结果是，每个细胞核内都有一个多增强子聚集体和一个活性OR基因相互作用。但单细胞分析结果显示，每个细胞核的OR基因增强子通常会形成多个小聚集体，每个聚集体中平均包含来自4条染色质的7个增强子的随机子集。（图2b）

研究团队总结，在给定的神经元中，只有一小部分OR基因增强子对于OR基因的转录是必须的。每个细胞有多个增强子聚集体，这表明还存在其他机制来确保只有一个OR基因表达。

该研究证明，重建单个嗅觉神经元3D基因组结构是研究单基因、OR单等位基因和基因表达机制的一种很有潜力的方法。此外，该方法还有助于分析视杆细胞和其他神经元细胞基因组结构的复杂性，从而最终帮助我们研究神经元多样性的机制。由于该研究使用了未分类的神经元，因此分析中使用的神经元是哪个OR基因被激活尚无法确定。另外，单细胞Hi-C技术与多细胞Hi-C相比，检测的基因组覆盖度较低，该研究后续尚需多方面的验证试验。

此外，该研究还有很多问题值得深入研究，例如，细胞核内聚集的哪个增强子会被激活取决于什么因素？剩余的增强子聚集体是如何失活的？未成熟的嗅觉神经元细胞核中的增强子聚集体是不是比成熟嗅觉神经元更多？在OR单等位基因表达过程中，母本和父本增强子等位基因是如何协调的？这些等位基因在核内是完全分离，还是可以在相同的多增强子聚集体内相互作用？这些都可以成为今后的研究方向。希望谢晓亮教授研究团队能够带给我们更多的惊喜。

参考资料：

1.Three-dimensional genome structures of single sensory neurons in mouse visual and olfactory systems

2.Capturing genome folds in single sensory neurons