《Nature Genetics》：Atlas of cell types and regulatory elements underlying human facial diversity
编辑推荐：
人类遗传多样性产生极为丰富的面部形态，颅面异常是最常见的出生缺陷之一。识别介导基因组影响面部变异的细胞机制仍是挑战。研究人员构建了胚胎第6–11周的面部分辨率多模态图谱，提供单细包转录组、染色质可及性与空间转录组学（均为单细胞分辨率）。研究人员刻画了56种细胞
人类遗传多样性产生极为丰富的面部形态，颅面异常是最常见的出生缺陷之一。识别介导基因组影响面部变异的细胞机制仍是挑战。研究人员构建了胚胎第6–11周的面部分辨率多模态图谱，提供单细包转录组、染色质可及性与空间转录组学（均为单细胞分辨率）。研究人员刻画了56种细胞状态，绘制间充质亚群及其基因–增强子顺式调控景观的时空分布。面部性状的基因表达关联在早期间充质祖细胞中最强，随后逐渐变得更区域受限。自相关分析揭示定义间充质空间邻域的图式基因，可解释其附近变异的性状特异性。关键病理相关基因的增强子可能是现代人群面部变异的载体。其中一个与PAX1表达相连的增强子在小鼠正常骨骼发育中具重要作用。基于全基因组关联研究（GWAS）、细胞信号互作分析与小鼠验证，研究人员发现周围神经在胚胎期精细调节上颌形状。上述数据深化了对人类表型个体化机制的理解，并提供研究颅面发育与异常的多模态图谱。
研究背景方面，人类面部呈现高度多样的形态，单卵双胎与亲属相似面庞说明面部受遗传调控。已有全基因组关联研究（GWAS）揭示大量面部形态位点，但从遗传变异到具体面部形态之间的细胞过程仍不清楚。面部主要由颅神经嵴细胞（CNCCs）与中胚层祖细胞发育为软骨、骨、肌肉、脂肪、真皮、血管与神经；然而哪些细胞状态是成人面部变异的主要驱动者，在人鼠模型差异下尚不明了，颅面先天异常也缺乏细胞层面的机制解释。因此研究人员开展胚胎早期面部的单细胞与空间多组学图谱构建，以连接变异、增强子、细胞类型与面部性状。
该论文发表于《Nature Genetics》。研究人员构建胚胎6–12 PCW（postconceptional week，受孕后周）人颅面发育时间序列，样本来源于人胚胎不同面区亚解剖部位；采用单细包RNA测序（scRNA-seq）、单核RNA/ATAC测序（snRNA/ATAC–seq）、Stereo-seq与10x Visium空间转录组、micro-CT，以及小鼠iGONAD体内编辑验证。样本队列包括多人胚胎的额鼻突、上颌突、下颌突与第二鳃弓等区域，空间分析使用PCW6.5胚胎切面，体内验证使用小鼠品系。
研究结果如下。综合单细包图谱部分，研究人员通过scRNA-seq与snRNA/ATAC–seq整合，注释17个粗粒度与56个细粒度簇，显示外胚间充质衍生物占主导；CytoTRACE评分随胚胎周龄下降，说明多能性随时间丧失；软骨细胞与脑膜样细胞最早出现。空间编码部分，利用Moran’s I在Stereo-seq中识别396个空间基因，这些基因具位置特异性而非单纯细胞类型特异性；层次聚类得到9个转录因子模块，分别标记前真皮、眼睑、鼻区、眼区、晶状体、牙区、下面部、舌面与颌下区，说明各面区由不同空间转录因子组合界定。增强子筛选部分，通过LinkPeaks关联开放染色质与基因表达，发现PAX1上游保守cCRE（cis-regulatory element，顺式调控元件）含鼻宽相关GWAS变异；删除该276 bp保守序列的小鼠出现小体型、短头与颅顶缺陷，证明该增强子参与哺乳动物骨骼形态。细胞类型与面部性状关联部分，距离加权富集显示间充质祖细胞对全局大性状贡献最强，成熟细胞更多关联局部性状；鼻–颌特异性分析中，空间基因ALX1在上脸域及其连锁cCRE的上脸变异一致，说明祖细胞区位激活增强子可决定变异性状特异性。MSX1增强子部分，MSX1连锁多个区域特异cCRE，分别关联外眦宽、鼻梁与下颌形态，表明多增强子组合建立牙区与上中部面区的表达域，并与Wolf–Hirschhorn综合征等病理相关。腭裂上皮部分，口面腭裂GWAS最富集上皮而非间充质；研究人员定位IRF6/GRHL3共表达上皮亚群，并发现连锁IRF6、MIR205HG、LAMB3的pleiotropic cCRE，其可及性限于上皮，重构的IRF6基因调控网络包含基底与周皮角蛋白类空间基因。周围神经部分，信号因子模块分析显示外周神经元高表达空间信号因子；COMMOT细胞–细胞通信分析提示PDGF等通路活跃，GWAS中周围神经富集颧骨与腭裂性状，小鼠验证表明周围神经在胚胎期微调上颌骨形状。
讨论与结论部分总结：研究人员强调早期外胚间充质祖细胞是面部自然变异的主要细胞基础，随时间推移细胞类型对形态影响减弱；空间自相关识别的图式基因兼具疾病关联，其专用增强子中的遗传变异是人面部个体化的热点；多增强子架构可解释MSX1等基因在牙区、鼻区与上颌的复合表达及病理严重度；腭裂相关风险更多映射于上皮及其调控元件，而非传统关注的间充质；外周神经元不仅是感觉结构，也通过分泌信号参与骨形精细调节。结论可译为：本研究提供6–11周人面部单细包、染色质与空间转录多模态图谱，刻画56种细胞状态与间充质基因–增强子顺式调控景观；面部性状关联在最早间充质祖细胞最强并渐趋区域化；自相关分析揭示定义间充质空间邻域的图式基因；病理基因增强子是现代人群面部变异的重要载体；PAX1连锁增强子对小鼠骨骼发育关键；GWAS、信号互作与小鼠验证共同表明周围神经在胚胎期精细调节上颌形态。这些数据为理解人类表型个体化提供机制洞察，并为颅面发育与异常研究提供多模态图谱。
