单细胞染色质转录组与剪接联合分析揭示脑细胞类型、区域及疾病状态的多模态调控机制

本研究通过开发ScISOr-ATAC技术，首次实现了冷冻组织中染色质可及性(ATAC)与RNA剪接的单细胞联合检测。研究人员在猕猴和人类大脑皮层样本中，揭示了染色质-转录组耦合状态对剪接调控的影响，发现不同兴奋性神经元亚型在脑区特异性、物种进化及阿尔茨海默病(AD)中存在剪接与染色质的差异化调控模式，为理解神经系统疾病机制提供了多组学视角。

　　

大脑作为最复杂的器官，其功能多样性源于细胞类型、脑区分布和分子调控的多层次差异。尽管单细胞测序技术已能分别解析转录组和表观基因组，但冷冻组织中染色质开放状态与RNA剪接的协同检测仍是技术瓶颈。更关键的是，先前研究发现基因可存在"细胞状态"——即染色质可及性与转录活动耦合(耦合开启/关闭)或解耦(启动/解耦)的四种状态，但这些状态是否影响剪接调控尚属未知。同时，大脑不同区域如前额叶皮层(PFC)和视觉皮层在阿尔茨海默病(AD)等神经退行性疾病中表现出差异性脆弱，其分子基础亟待多组学解析。

美国康奈尔大学威尔医学院的研究团队在《Nature Biotechnology》发表创新性研究，开发出ScISOr-ATAC技术，首次实现冷冻组织中单细胞水平染色质可及性(ATAC-seq)与全长转录本测序的联合检测。通过该技术，团队系统分析了猕猴和人类大脑皮层样本，揭示染色质-转录组耦合状态对RNA剪接的调控规律，阐明了不同兴奋性神经元亚型在脑区特异性、物种进化及AD病理中的多组学特征。

关键技术包括：1)开发ScISOr-ATAC实现单细胞多组学联合检测；2)采用10x Genomics Multiome平台同步获取染色质和转录组数据；3)基于Oxford Nanopore长读长测序解析剪接异构体；4)设计靶向3,224个神经疾病相关基因的外显子-外显子连接探针；5)建立统计下采样方法控制细胞类型间检测灵敏度差异。样本来源于2只成年雄性猕猴的PFC和视觉皮层，以及19例人类PFC样本(10对照/9AD)。

【区域特异性剪接模式与染色质差异】研究发现猕猴PFC与视觉皮层间存在显著的兴奋性神经元亚型特异性剪接差异。L3-L5/L6 IT_RORB神经元表现出最强的脑区特异性剪接调控，如POLN基因两个外显子在视觉皮层完全保留(△ψ=0.78-0.8)，而在PFC中完全跳过。有趣的是，染色质差异最显著的却是L2-L4 IT_CUX2.RORB神经元，其39.71%的靶基因邻近峰值显示脑区特异性开放，提示剪接与染色质调控可能通过不同机制实现区域特异性。

【细胞状态调控剪接模式】研究创新性地将基因按染色质-转录组耦合状态分类，发现外显子包含率(ψ)随细胞状态显著变化。在160个测试外显子中，51%的脑区特异性剪接事件至少在一个细胞状态中得到验证，如NFE2L1外显子在视觉皮层L3-L5/L6 IT_RORB神经元的"耦合开启"状态中保留率达73%，而在PFC中基本跳过，表明细胞状态是剪接调控的潜在隐藏变量。

【物种间模态分化】人类与猕猴PFC比较显示，星形胶质细胞染色质结构差异显著但剪接保守，而L2-L3 IT_NRGN.CBLN2神经元则呈现相反模式。进化分析揭示NUBP2外显子在猕猴兴奋性神经元中91%包含，而人类仅16%(FDR<6×10^-8)，表明不同细胞类型在进化中选择了不同分子层面的适应策略。

【AD中的多组学失调】在AD患者PFC中，少突胶质细胞表现出最显著的染色质和剪接双重失调，如ZNF711外显子在AD少突胶质细胞中包含率下降42%，而在兴奋性神经元中反增10%。Gene Ontology分析显示AD神经元剪接异常与突触功能相关，而少突胶质细胞则富集RNA加工相关通路。

该研究通过ScISOr-ATAC技术建立了单细胞多组学分析新范式，首次证实染色质-转录组耦合状态可影响剪接调控。发现脑区特异性、物种进化和疾病状态中，不同细胞类型倾向于通过染色质或剪接不同模态实现功能分化，这对理解神经系统复杂性和疾病机制具有双重意义：技术上为冷冻样本多组学研究提供工具，生物学上揭示了神经疾病治疗需考虑细胞类型特异性的多层面调控网络。特别是AD中少突胶质细胞的显著失调提示其可能成为新的治疗靶点，而进化分析数据为转化医学研究提供了重要参考，提示猕猴模型可能在某些细胞类型中更接近人类分子特征。