单细胞染色质可及性测序揭示猪脑调控机制与进化特征及其在神经疾病模型中的应用价值

本研究通过单细胞染色质可及性测序(scATAC-seq)技术，首次构建了家猪与野猪大脑皮层和小脑的单细胞表观遗传图谱，鉴定出9种主要细胞类型，揭示了少突胶质前体细胞(OPC)的快速进化特征。研究整合单细胞转录组数据解析了细胞类型特异性调控网络，并通过跨物种比较发现猪脑保守调控元件与人类神经疾病变异存在显著关联，为阿尔茨海默病等神经系统疾病提供了新的动物模型选择依据。

　　

在神经科学研究领域，寻找理想的人类脑疾病模型始终是重大挑战。虽然小鼠模型被广泛使用，但其脑结构与人类存在显著差异。猪脑因其与人类相似的解剖结构和神经发育特征，逐渐成为备受关注的替代模型。然而，长期以来科学家们对猪脑在细胞水平上的基因调控机制和进化特征缺乏系统认识，这严重限制了其作为生物医学模型的应用价值。

华中农业大学的研究团队在《BMC Biology》发表的重要研究，通过前沿的单细胞染色质可及性测序(scATAC-seq)技术，首次绘制了家猪与野猪大脑皮层和小脑的高分辨率表观遗传图谱。这项研究不仅揭示了猪脑细胞的异质性特征，还通过跨物种比较阐明了猪作为神经疾病模型的独特优势。

研究采用了多项关键技术：单细胞染色质可及性测序(scATAC-seq)分析71,798个家猪和野猪脑细胞；整合已有单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据解析细胞分化轨迹；使用LiftOver工具进行跨物种保守性分析；通过LDSC方法评估疾病相关变异在保守调控元件中的富集情况。

构建家猪与野猪大脑单细胞染色质可及性图谱

研究人员对家猪和野猪的四个脑区（额叶、顶叶、颞叶、枕叶）及小脑进行scATAC-seq分析，获得29,472个家猪细胞和42,326个野猪细胞的高质量数据。通过严格的质控和聚类分析，鉴定出9种主要细胞类型：兴奋性神经元(EX)、抑制性神经元(IN)、少突胶质细胞(OLG)、少突胶质前体细胞(OPC)、新生少突胶质细胞(NFO)、星形胶质细胞(AST)、小胶质细胞(MG)、颗粒细胞(GN)和内皮细胞(END)。值得注意的是，兴奋性神经元和新生少突胶质细胞中发现了亚群分化。

表观基因组与转录组整合分析揭示少突胶质细胞分化轨迹

通过将scATAC-seq数据与已发表的scRNA-seq数据整合，研究人员成功构建了从OPC到NFO再到OLG的分化轨迹。伪时间分析显示，沿此轨迹差异表达的基因显著富集于"胶质细胞迁移正向调控"和"神经系统过程调控"等通路，为理解少突胶质细胞的发育机制提供了新见解。

细胞类型特异性染色质可及性与基因调控

研究鉴定出298,749个染色质开放区域，发现近端候选顺式调控元件(cCREs)比远端元件具有更高的序列保守性。通过Cicero算法预测了8,381对增强子-基因互作关系，并发现不同细胞类型的特异性cCREs调控着相应的功能基因。例如，小胶质细胞特异性元件调控的LAPTM5基因在炎症反应中起关键作用，而少突胶质细胞特异性元件调控的CLIC4基因则参与髓鞘形成过程。

进化分析显示少突胶质前体细胞的快速进化

通过比较家猪和野猪各细胞类型的染色质可及性差异，研究发现少突胶质前体细胞(OPC)表现出最显著的进化变化。这种快速进化特征与人类和非人灵长类研究中的发现一致，提示OPC可能在脑进化和驯化过程中发挥特殊作用。值得注意的是，差异cCREs显著富集于选择信号区域，表明表观遗传调控在猪驯化过程中的重要性。

跨物种比较揭示猪作为神经疾病模型的优势

研究将猪脑数据与人类和小鼠数据进行整合分析，发现猪脑cCREs在人类基因组中的序列保守性(78%-92%)和功能保守性(11%-18%)均高于小鼠。特别重要的是，阿尔茨海默病相关变异在猪的保守调控元件中显著富集，而在小鼠中未观察到类似现象，这一发现为选择猪作为特定神经疾病的模型提供了重要依据。

这项研究首次在单细胞分辨率上系统描绘了猪脑的表观遗传景观，为理解脑进化和神经疾病机制提供了宝贵资源。研究发现少突胶质前体细胞在进化过程中的特殊地位，揭示了表观遗传调控在猪驯化中的潜在作用。通过跨物种比较，研究证实猪脑保守调控元件与人类神经疾病存在独特关联，特别是为阿尔茨海默病研究提供了更合适的动物模型选择方案。这些发现不仅丰富了我们对脑进化的认识，也为神经疾病的转化医学研究开辟了新途径。