《Human Genetics and Genomics Advances》：Positive selection on brain cis-regulatory elements in the human lineage drives changes in gene expression and susceptibility to neuropsychiatric disorders
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人类大脑进化被假设主要由调控变化而非蛋白质编码变化驱动。然而，识别调控元件中的进化变化受到分类群数量和关系以及针对保守序列的方法学的限制。这些方法独立于任何功能的实验评估，并忽略了在约束较少的区域中潜在的新功能化（neofunctionalization）。在
人类大脑进化被假设主要由调控变化而非蛋白质编码变化驱动。然而，识别调控元件中的进化变化受到分类群数量和关系以及针对保守序列的方法学的限制。这些方法独立于任何功能的实验评估，并忽略了在约束较少的区域中潜在的新功能化（neofunctionalization）。在此，研究人员利用243个灵长类基因组，对超过350,000个经实验确认的人类脑活性顺式调控元件（cis-regulatory elements，CREs）应用了人类分支特异性正选择（positive selection）检验，识别出8,522个在人类谱系中受正选择的元件。与未选择的元件相比，受人类正选择元件调控的基因在胎儿和成年阶段在人类和猕猴之间表现出差异表达。在胎儿和成年阶段持续活跃的受正选择元件显示出与神经精神疾病（包括精神分裂症和双相情感障碍）相关遗传变异的最强富集。
**论文解读：人类谱系脑顺式调控元件的正选择驱动基因表达变化与神经精神疾病易感性**
**研究背景、存在问题与研究目的**
人类大脑进化被认为主要由基因调控变化驱动，而非蛋白质编码序列的改变。然而，识别非编码调控区域中的适应性进化面临多重挑战：现有方法多聚焦于高度保守的序列（如人类加速区域，HARs），忽略从非保守或中性序列中新功能化的可能性；分析中使用的灵长类基因组数量和多样性不足，导致统计效力低下；且依赖偏向性的中性代理（如古老重复序列或四倍简并位点）可能产生假阳性信号。此外，许多研究缺乏对调控区域在特定组织中活性的实验验证，且基因-元件的关联常简化为最近邻基因规则。为解决这些问题，研究人员利用大规模灵长类基因组数据和实验验证的脑活性顺式调控元件（b-CREs）图谱，系统识别人类谱系中受正选择的调控元件，并探讨其在基因表达进化及神经精神疾病易感性中的角色。
**研究结论与意义**
本研究在350,677个经验证的脑活性CREs中鉴定出8,522个人类谱系正选择元件，其中99.5%未被先前研究报道。这些元件调控的基因在人类与猕猴间呈现阶段特异性表达差异，且持续活跃于胎脑和成脑的元件显著富集精神分裂症、双相情感障碍等神经精神疾病的遗传变异。该发现表明，人类大脑的调控进化与疾病遗传结构紧密关联，为理解人类认知特化及精神疾病易感性的分子机制提供了新框架。论文发表在《Human Genetics and Genomics Advances》。
**主要技术方法**（不超过250字）
1. **脑活性CREs数据集**：从PsychScreen平台获取361,844个经ATAC-seq、DNase-seq、ChIP-seq（组蛋白修饰和CTCF结合）验证的b-CREs，涵盖110个人脑样本（96个成年、14个胎脑）的皮质和皮质下区域。
2. **多序列比对与系统发育分析**：利用Zoonomia+Primates 447-way、470 Mammals和UCSC 30-way三个比对轨道提取MSA，经ClipKIT修剪后保留包含≥15个灵长类物种且长度≥140 bp的比对。使用adaptiPhy（v2.0.0）进行人类分支特异性正选择检验，以非功能区域（NFRs）为中性参考，经phyloP评分验证中性进化后，通过似然比检验和Bonferroni校正识别正选择b-CREs。
3. **下游分析**：通过MEME套件进行转录因子基序富集；综合ENCODE-rE2G、ABC、EPIraction和GraphReg模型预测b-CREs靶基因；利用g:Profiler进行功能富集；采用Fisher精确检验和置换检验评估精神疾病GWAS变异富集；比较人类、黑猩猩和猕猴的脑转录组表达差异及发育断点。
**研究结果**
*Quality control for orthology identification and sequence coverage*
经过质控，从初始361,844个b-CREs中排除11,167个（3.1%），剩余350,677个用于系统发育分析。其中8,522个b-CREs显示人类谱系正选择信号（3,331个成年特异性、1,963个胎脑特异性、3,228个共享元件）。与已报道的5,497个HARs/HAQERs比对，仅844个（15.4%）具有脑活性，且其中仅42个与本研究HPS b-CREs重叠，表明99.5%为正选择元件的独特性。
*Motif enrichment analysis*
共享HPS b-CREs富集133个显著基序，成年和胎脑特异性分别富集114和8个。锌指蛋白基序（如ZN770、ZN135）在成年和胎脑元件中显著富集；共享元件中ETS家族（ELK4、ELK1等）和SP/KLF家族（NRF1、SP1等）富集；CTCF及CTCFL在成年元件中富集；ZN135、ZN560等五个锌指因子在所有阶段一致富集。
*Gene overexpression analysis*
靶基因功能富集显示，所有阶段HPS b-CREs调控基因主要富集于化学感应信号通路（嗅觉受体活性、G蛋白偶联受体信号转导等）。共享元件调控的基因特有地富集染色质功能（组蛋白去乙酰化、DNA甲基化、RNA聚合酶II转录等），胎脑及共享元件调控基因富集抗原结合通路。启动子基序分析显示成年和共享元件富集转录调控因子（Pitx2、Ikaros、HNRPUL1）。
*Enrichment of psychiatric disorder-associated variants*
共享HPS b-CREs最强富集精神分裂症变异（OR=6.26，Adj p=1.35×10
-38），成年元件显著富集（OR=3.97，Adj p=1.81×10
-14）。重度抑郁障碍和双相情感障碍在共享元件中富集最高（OR≈10.5）。阿尔茨海默病在成年和共享元件中富集。自闭症谱系障碍、睡眠持续时间、帕金森病和智力也在共享元件中富集。每日吸烟量仅在成年元件中富集。非脑活性CREs和非脑性状无显著富集。
*Target gene differential expression across primates*
胎脑HPS b-CREs调控基因在早期胎脑（13 PCW）人类表达高于猕猴，但在晚期（37 PCW）低于猕猴。成年b-CREs在成年脑中人类表达高于猕猴。共享b-CREs在晚期胎脑和成年脑人类表达升高，但在中期（16 PCW）降低。与黑猩猩相比，成年和共享元件调控基因无显著差异表达。发育断点分析显示胎脑b-CREs调控基因的表达转变时间在人类中显著延迟。基因共表达分析显示共享元件在模块200和159中富集，胎脑元件在模块19中耗竭。
**讨论与结论**
讨论部分总结，本研究鉴定的8,522个正选择b-CREs绝大部分未被先前HARs/HAQERs覆盖，反映了检测方法对物种数量和多样性的敏感性。仅有15.4%的已知加速区域具有实验验证的脑活性，强调基于实验验证的重要性。人类谱系正选择元件中锌指蛋白基序的广泛富集与灵长类KRAB-ZFP家族扩张一致，CTCF富集提示3D基因组重组，ETS和SP/KLF富集指向神经元分化与突触可塑性。化学感应通路富集或与灵长类感觉进化相关，而共享元件中染色质调节通路富集表明表观遗传调控的协同进化。比较转录组分析揭示胎脑元件调控基因表达时间的延迟，支持人类大脑发育的延缓特征。共享元件对精神疾病变异的最强富集提示选择作用于从胎儿到成年的调控可塑性，同时引入疾病易感性。
**研究结论翻译**：本研究证明了正选择在数千个先前未表征的调控元件上对人类大脑进化的作用。这些元件控制神经发育程序和成脑表达网络。进化变化与精神疾病风险变异的趋同表明，区分人类大脑的创新与这些疾病的遗传结构相关联。此外，特定转录因子和网络的识别为研究连接进化适应与精神疾病易感性的分子机制以及调控进化如何塑造人类大脑提供了框架。具体而言，此处识别的受正选择b-CREs是未来实验验证的关键靶点，以阐明其在人类大脑进化和疾病病因学中的功能角色。
