Enhancer-driven cell type comparison reveals similarities between the mammalian and bird pallium
题目: 增强子驱动的细胞类型比较揭示哺乳动物与鸟类大脑皮质的相似性
DOI: https://doi.org/10.1126/science.adp3957 (opens new window)
Cite: Nikolai Hecker et al. ,Enhancer-driven cell type comparison reveals similarities between the mammalian and bird pallium.Science387,eadp3957(2025).
作者介绍：
| Stein Aerts |
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| Laboratory of Computational Biology, VIB Center for AI & Computational Biology, Leuven, Belgium. |
| stein.aerts@kuleuven.be |
# Abstract:
在脊椎动物进化过程中，端脑是一个高度保守但结构又极其多样的脑区。例如，哺乳动物拥有六层结构的新皮层，而鸟类并不存在这种分层结构。因此，不同物种端脑细胞类型之间是否具有真正的同源关系，一直是神经科学领域长期争论的问题。近年来，单细胞转录组技术被广泛用于跨物种比较研究。已有研究发现，非神经元细胞以及 GABA 能神经元在不同物种之间具有较高的保守性。然而，兴奋性神经元的跨物种对应关系却难以仅通过转录组进行明确界定。这提示我们，单纯依赖基因表达信息可能不足以解析深层的进化调控机制。 从分子调控层面来看，细胞类型的身份是由转录因子组合所决定的，这种调控逻辑体现在增强子序列中的“增强子编码”。随着基于序列的深度学习模型的发展，我们现在可以在核苷酸分辨率上解析这些调控模式。 因此，本研究提出一个关键假设：增强子编码可能揭示跨物种细胞类型之间更深层次的保守性与分化，为解决端脑结构同源争议提供新的调控层面证据。
# Results:
# Figure 1: Cell types of the chicken telencephalon and expression of marker genes.
Figure 1. 鸡端脑的细胞类型及标志基因表达
(A) 单细胞聚类及推断细胞类型的统一流形近似与投影（UMAP，左图）。单细胞聚类被映射到空间分辨转录组数据（Stereo-seq，右图），使用的空间 bin 大小约为 50 μm。由于每个空间 bin 可能包含多个细胞的联合转录组，空间 bin 会根据映射的单细胞聚类标签密度最高的类别进行分配（右图）。图示显示了鸡端脑的解剖分区。
(B) 鸡端脑各细胞类型的典型标志基因表达。点的大小表示该聚类中表达该基因的细胞核比例。
(C) 鸡端脑细胞类型的转录组与小鼠脑细胞类型的转录组进行了比较，使用了小鼠脑单细胞核基因表达数据集。三角形标记显示了兴奋性神经元的相关相似性。
# Figure 2: Cross-species enhancer modeling.
Figure 2. 跨物种增强子建模
(A) 增强子模型架构与工作流程示意图。针对五个脑数据集分别训练了一个模型。
(B) 小鼠模型（左）和人类模型（右）对鸡各细胞类型前100个差异可及区域（DARs）的跨物种预测结果。图中显示的是每个区域的中位预测得分。小鼠和人类的预测结果分别为各自两个模型的共识结果。兴奋性神经元（EXC）、中型棘状神经元（MSN）和中间神经元（INT）被归为较大的细胞类型类别。
(C) 来自 DeepMouseBrain1 数据集（4）的小鼠脑细胞 scRNA-seq UMAP，显示 Csf1r 基因在小胶质细胞（MGL）中的特异性表达（上图）。下方展示了调控 MGL 中 Csf1r 表达的 MGL 增强子 FIRE（mm10 chr18:61108475–61108975）的细胞类型特异性染色质可及性。
(D) 来自五个增强子模型（顺序：DeepMouseBrain1、DeepMouseBrain2、DeepHumanCortex1、DeepHumanCortex2、DeepChickenBrain1）、一个 MGL ChromBPNet 模型以及 Enformer 的 FIRE 核苷酸贡献评分。ISM 评分展示了五个增强子模型共识结果、ChromBPNet 模型和 Enformer 的结果。最后，图中还展示了在小鼠 BV2 细胞中通过 MPRA 活性进行的体外诱变实验结果。已鉴定的 TFBS 以及一个尚未表征的潜在 Mafb 结合位点均被高亮标示。
# Figure 3: Conservation of enhancer code in vertebrate brain cell types.
Figure 3. 脊椎动物脑细胞类型中增强子编码的保守性
(A) 鸡（galGal6 chr21:1148446-1148946）和小鼠（mm10 chr4:154506677-154507177）PRDM16区域的 scATAC 轨迹。
(B) 显示小鼠和鸡端脑中 Prdm16 表达的 UMAP 图。
(C) DeepMouseBrain1 和 DeepChickenBrain1 对小鼠该区域的预测及贡献评分。红色和蓝色分别表示点突变和插入。高贡献评分的 TFBS 及潜在转录因子根据已知 TFBS 模式相似性及细胞类型特异性表达进行标注。
(D) 鸡每个细胞类型前 100 个 DAR 的跨物种核苷酸贡献评分中位数共识 Spearman 相关系数，比较 DeepMouseBrain1、2 和 DeepChickenBrain1。EXC、MSN 和 INT 被归为广义细胞类型类别。
(E) 小鼠（左）和鸡（右）细胞类型特征序列模式的贡献评分。潜在转录因子根据已知 TFBS 及其与重要性评分的表达相关性进行标注。红色圆圈表示每种细胞类型的转录因子平均表达量（已缩放）。
(F) 热图显示不同模型（DeepMouseBrain1、2，DeepHumanCortex1、2，DeepChickenBrain1）中 DARs 中各广义细胞类型特征序列模式的平均出现次数。不同物种的细胞类型分别用黑色（小鼠）、蓝色（人类）和橙色（鸡）标示。
# Figure 4: Conserved enhancer codes of GABAergic neurons across mouse and chicken.
Figure 4. 小鼠与鸡 GABA 能神经元中保守的增强子编码
(A) DeepMouseBrain3 与 DeepChickenBrain2 模型在鸡中型棘状神经元（MSNs）和中间神经元前 100 个差异可及区域（DARs）上的核苷酸贡献评分的 Spearman 相关性。
(B) 基于每种细胞类型前 1000 个 DAR 中共享 TFBS 的出现情况，分析 DeepMouseBrain3 与 DeepChickenBrain2 学习到的 MSNs 和中间神经元的共享 TFBS 重要性，小鼠（左）和鸡（右）。点的大小表示其出现次数的 log₂ 值。左图中，根据已知 TFBS motif，标注了表达与 TFBS 出现频率相关的潜在转录因子（TF）。点的颜色表示标准化后的平均表达量（26）。灰色圆点表示未找到匹配的 TF。
(C) 鸡（下）和小鼠（上）的 ELAVL2 增强子候选区域（galGal6 chrZ:67613064–67613564 和 mm10 chr4:91392313–91392813）的 scATAC 轨迹图，显示其对生长抑素（SST）神经元的特异性。
(D) DeepMouseBrain3 与 DeepChickenBrain2 在小鼠 Elavl2 区域进行 SST 预测时的贡献评分。
(E) DeepMouseBrain3 与 DeepChickenBrain2 在鸡 ELAVL2 区域进行 SST 预测时的贡献评分。
# Figure 5: Identification of an intronic medium spiny neuron enhancer inside Foxp2.
Figure 5.在 Foxp2 内含子中鉴定到一个中型棘状神经元增强子
(A) 单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）UMAP 显示，在鸡端脑单细胞数据中，FOXP2 的表达特异于 D1 型中型棘状神经元（D1MSN）和纹状体样抑制性神经元（INH STR）（上图）；在空间分辨转录组（Stereo-seq）数据中，其在纹状体中的表达最高（下图）。
(B) 鸡（galGal6 chr1:26118953–26119453；左）和小鼠（mm10 chr6:15369301–15369801；右）FOXP2 区域的单细胞 ATAC 测序（scATAC）轨迹，显示其在 D1MSN 中具有特异性。
(C) DeepMouseBrain1 和 DeepChickenBrain1 在其 D1MSN 类别中的贡献分数，分别对应小鼠（上）和鸡序列（下）；图中展示的是小鼠序列的反向互补序列。将小鼠序列与鸡序列比对时，小鼠序列中的点突变和插入分别以红色和蓝色标示；在鸡序列中则反之。在鸡中，小鼠中存在的 Egr3 结合位点被破坏。对具有高贡献分数的核苷酸特征，标注了可能结合的转录因子（TF），并根据其与已知转录因子结合位点（TFBS）基序的相似性及细胞类型特异性表达进行推定。
(D-E) 由小鼠 Foxp2 内含子中的 D1/2MSN 增强子序列（D）以及鸡 FOXP2 内含子中的同源序列（E）驱动的小鼠脑内 GFP 表达。虚线标示纹状体边界。在丘脑中也可观察到轻微表达。
# Figure 6: Enhancer code of excitatory neurons in the chicken and mouse.
Figure 6.鸡和小鼠兴奋性神经元的增强子编码
(A) DeepChickenBrain2 与 DeepMouseBrain3 在鸡前 100 个 EXC DARs 上的核苷酸贡献评分中位数 Spearman 相关性热图。
(B) DeepMouseBrain3 和 DeepChickenBrain2 中 TFBS 的重要性，基于它们在每个细胞类型前 1000 个 DARs 中的出现频率。点的大小表示出现频率的 log2 值。潜在转录因子（TF）根据已知 TFBS 和表达情况标注。颜色渐变显示 TF 的标准化平均表达水平。
(C-E) KIAA1217 基因座的 scATAC 图谱（C），显示 GLU-7 中的特异性可及性（D）；ZNF804B 基因座在 GLU-1 中的可及性（E）。KIAA1217 增强子驱动 GFP 在小鼠初级体感皮层（SSp）、胼胝体（CC）和尾状壳（CP）中表达。
(G) GLU-7 KIAA1217 增强子驱动的 GFP 表达与 CTIP2 染色。18 个 GFP 阳性细胞中有 11 个（箭头）显示 CTIP2 表达。DAPI：4′,6-二脒基-2-苯基吲哚。
(H) ZNF804B 增强子驱动的 GFP 与 SATB2 染色。12 个 GFP 阳性细胞中有 9 个（箭头）显示 SATB2 表达。
(I-J) KIAA1217 增强子候选在 L6 CT 和 GLU-7 中的核苷酸贡献评分（I）；ZNF804B 增强子候选在 L2/3 IT 和 GLU-1 中的核苷酸贡献评分（J）。
# Figure 7: Overview of regulatory code–matching methods between chicken-mouse and chicken-human brain cell types and mouse-human glutamatergic cell types.
Figure 7.鸡-小鼠、鸡-人脑细胞类型以及小鼠-人谷氨酸能细胞类型的调控编码匹配方法概览
(A-C) 结合的细胞类型相似性评分，包括 SAMap 分数、预测分数、贡献评分相关性和 motif 相关性，用于评估鸡与小鼠（A）、鸡与人（B）、人类与小鼠（C）细胞类型的相似性。圆的大小表示四个指标的综合值。
# Discussion:
- 揭示保守的"增强子编码"：利用深度学习模型在哺乳动物和鸟类基因组中，识别出由特定转录因子组合及其排列构成的"增强子编码"。这些编码是定义主要端脑细胞类型（如神经元、胶质细胞）身份的关键，并在数亿年进化中高度保守。
- 挑战传统进化模型：基于增强子编码的比较发现，鸟类和哺乳动物的兴奋性神经元存在复杂的对应关系，这并不完全吻合传统的基于发育起源或神经回路的进化模型，为细胞类型进化提供了新的见解（如基因调控网络的共选与多样化）。
- 区分调控保守与转录组分歧：发现某些同源细胞类型（如小胶质细胞）尽管其转录组（基因表达）已发生显著分化，但其增强子编码（调控序列）依然保持保守。这表明增强子编码是追踪细胞类型进化历史的更稳定"分子化石"。