单细胞H3K4me1-H3K27me3联合分析揭示产前电子烟暴露通过双价染色质调控异常神经元发育的表观遗传机制

本研究通过单细胞H3K4me1-H3K27me3与转录组联合分析技术(Paired-Tag)，首次揭示产前电子烟(e-cig)暴露通过改变前额叶皮层神经元关键基因启动子区的H3K4me1-H3K27me3双价修饰(bivalency)，破坏兴奋性(E)与抑制性(I)神经元分化平衡，影响昼夜节律(circadian entrainment)、钙信号(calcium signaling)和突触传递(synaptic transmission)等通路。该发现为理解尼古丁成瘾的早期表观遗传印记提供了新视角。

　　

随着电子烟(e-cigarette)在全球范围内的流行，孕期使用电子烟对胎儿神经发育的影响日益引发关注。电子烟中的尼古丁和其他添加剂能够穿透胎盘屏障，动物研究表明其会干扰突触发生(synaptogenesis)、神经递质信号传导等关键神经发育过程。更令人担忧的是，这些暴露可能导致后代出现认知障碍、行为异常等长期神经发育问题。然而，电子烟如何通过表观遗传机制影响早期大脑发育，特别是组蛋白修饰(histone modification)在其中的作用，仍是未解之谜。

在这项发表于《Communications Biology》的研究中，Zhong Chen、Lijuan Song等团队创新性地采用单细胞多组学技术，揭示了产前电子烟暴露通过重塑关键神经发育基因的双价染色质状态，从而干扰神经元分化的分子机制。研究人员通过建立产前电子烟暴露的大鼠模型，利用Paired-Tag技术对出生后第7天(P7)幼鼠前额叶皮层(PFC)进行单细胞H3K4me1-H3K27me3修饰与转录组联合分析，结合生物信息学方法系统解析了表观遗传调控网络。

关键技术方法包括：建立慢性间歇性电子烟暴露(CIEC)孕鼠模型；采用Paired-Tag技术对P7大鼠PFC组织进行单细胞水平H3K4me1和H3K27me3修饰与转录组联合测序；使用Seurat和Signac软件包进行单细胞多组学数据整合分析；通过差异表达基因(DEGs)和差异峰(DePeaks)识别揭示关键调控网络。

【Overall study design, data generation, and cell type identification】

研究团队首先通过Paired-Tag技术同时捕获了11,656个单核的转录组和组蛋白修饰数据，成功鉴定出前额叶皮层的15种细胞类型，其中兴奋性神经元(71.37%)和抑制性神经元(16.94%)占主导。值得注意的是，H3K27me3修饰在细胞分型中展现出优于H3K4me1的分辨能力，研究人员由此鉴定出Ston2(兴奋性神经元)、Snca(抑制性神经元)等细胞特异性组蛋白标记基因。

【Prenatal e-cig aerosol exposure altered H3K4me1/H3K27me3 and neuron differentiation】

比较分析发现，产前电子烟暴露显著改变了1,306个兴奋与抑制神经元差异表达基因，其中205个基因的表达变化与组蛋白修饰改变相关。典型神经发育基因如Cnksr2(突触组装)、Gap43(轴突再生)等表现出兴奋性神经元特异的H3K4me1信号增强，而抑制性神经元标记基因Erbb4和Grik1则呈现启动子区H3K27me3修饰增加。这些发现揭示了电子烟通过差异化调控两类神经元的表观遗传景观来干扰其分化平衡。

【snRNA-seq revealed prenatal e-cig aerosol exposure affected gene network and pathways involved in neuronal functions】

转录组分析显示，电子烟暴露显著影响皮层L2/3和L4/5层兴奋性神经元的基因表达。特别值得注意的是，昼夜节律核心调控基因Clk1在两类神经元中均被显著抑制，钙信号相关基因Cacnalc、Camk2b等表达也发生改变。KEGG分析进一步证实，电子烟暴露显著富集了轴突导向(axon guidance)、突触转导(synaptic transduction)等通路，提示其对神经环路形成的广泛影响。

【Prenatal e-cig aerosol exposure altered H3K4me1-H3K27me3 transition and gene bivalency involved in neuronal cell type specification】

在全基因组层面，电子烟暴露导致75.36%的H3K27me3和63.66%的H3K4me1差异峰位于基因间区，但启动子区(TSS±1kb)的修饰改变最为显著。研究人员鉴定出47个兴奋性神经元和51个抑制性神经元特异性H3K4me1差异基因，其中Elavl2、Celf2等关键神经发育基因表现出明显的双价修饰动态变化，这种"准备就绪"的染色质状态可能使这些基因更易受环境因素调控。

【Prenatal e-cig aerosol exposure induced systematic changes in H3K4me1-H3K27me3 bivalency in excitatory neurons】

系统分析显示，在兴奋性神经元中，上调基因的启动子区呈现H3K27me3信号显著减弱，而下调基因则显示该修饰增强。Pearson相关性分析证实H3K27me3信号强度与基因表达呈显著负相关(R=-0.23)，而H3K4me1则无此明确关联，表明H3K27me3在电子烟介导的转录调控中起主导作用。

这项研究首次在单细胞分辨率上揭示了产前电子烟暴露通过重塑H3K4me1-H3K27me3双价修饰影响神经元分化的表观遗传机制。研究发现电子烟不仅破坏了兴奋/抑制神经元平衡(E/I ratio)，还可能通过改变昼夜节律(circadian entrainment)等关键通路，对后代神经发育产生长期影响。特别值得注意的是，H3K27me3修饰的改变与基因表达呈现更强的相关性，支持"双价染色质通过H3K27me3-H3K4me1转换调控神经发育基因"的假说。这些发现为理解尼古丁成瘾的早期表观遗传印记提供了新视角，也为开发针对产前电子烟暴露的干预策略提供了潜在靶点。该研究展示的单细胞多组学方法为解析复杂环境因素对神经发育的影响提供了强有力的技术框架。