大腦作為人體最復雜的器官，其不同區域的發育調控機制一直是生命科學領域的研究難點。目前，關于人類胎兒發育過程中不同腦區三維（3D）染色質結構的時空組織及其調控功能尚不明確。3D 染色質結構在基因表達調控、胚胎發育和疾病發生中起著關鍵作用，但此前研究主要集中于大腦皮層，其他功能腦區的高分辨率 3D 染色質結構圖譜仍十分匱乏，這極大限制了人們對腦區特異性發育特征的理解。為填補這一空白，廣州醫科大學、中國科學院生物物理研究所等機構的研究人員開展了相關研究，其成果發表在《Cell Discovery》上，為揭示腦區發育的分子機制和神經精神疾病的病理基礎提供了重要線索。

研究人員收集了孕 11-26 周（涵蓋神經發生和突觸發生階段）胎兒的 6 個主要腦區，包括前額葉皮層（PFC）、初級視皮層（V1）、小腦（CB）、皮層下紋狀體（CS）、丘腦（TL）和海馬（HP）。通過原位 Hi-C 測序、RNA-seq、CTCF ChIP-seq 和 H3K27ac ChIP-seq 等技術，構建了這些腦區的高分辨率 3D 染色質結構圖譜，并結合多組學分析探討其調控功能。

研究人員對 30 個樣本進行深度原位 Hi-C 測序，獲得超過 330 億條 reads，平均每個樣本有 4.6 億條有效 reads，數據重復性高。在 40-kb 分辨率下可觀察到清晰的拓撲相關結構域（TADs），在 100-kb 分辨率下可見 A/B 區室，且與人類囊胚和胚胎干細胞（H1 ESCs）有明顯差異，成功構建了六大腦區的時空 3D 染色質結構圖譜。

A/B 區室動態與基因表達調控密切相關。研究發現，約 31% 的區域在腦發育過程中存在 A/B 區室動態變化，B 到 A 區室轉換的基因表達顯著上調，反之則下調。以丘腦為例，SERPINE2 和 GRIA2 等基因在丘腦中呈 A 區室狀態，富集于下丘腦發育和谷氨酸受體信號通路。前額葉皮層中，MEF2C 基因在后期呈 A 區室狀態并高表達，與前腦發育和突觸組裝調控相關，表明 A/B 區室動態參與神經發育調控。

盡管 PFC 和 V1 同屬大腦皮層，但二者功能迥異。主成分分析（PCA）顯示，早期（GW11/GW13/GW14）兩者 3D 染色質結構相似，而從 GW16 期開始差異明顯。CHESS 分析證實，GW16 期后兩者差異染色質區域增多，而小腦與皮層區域的差異早在 GW11 期就已顯現。PFC 中上調基因富集于神經前體細胞增殖調控，V1 中則富集于突觸信號傳遞調控，表明 TAD 結構重排驅動了皮層分區的分化。

研究共鑒定出超過 42.8 萬個染色質環，多數位于 TAD 內。腦區特異性環在不同階段富集于特定神經發育過程，如 GW13 期 PFC 特異性環關聯前腦發育，GW16 期 V1 特異性環涉及樹突發育。丘腦特異性環與 LHX9 基因（調控丘腦神經元發育）相關，端腦特異性環圍繞 FOXG1 基因（參與皮層分區建立）。此外，早期特異性環富集于細胞周期調控，晚期則與 Wnt 信號通路負調控相關，顯示染色質環在時空上精細調控腦發育。

H3K27ac 標記的 SEs 在腦區特異性基因表達中起關鍵作用。研究預測出數百個 SEs，如 PFC/V1 和小腦中的 MIR9-3HG 位點 SEs。SEs 介導的腦區特異性環與基因表達顯著相關，如小腦 ZIC1/ZIC4 基因與 SEs 形成特異性環并高表達。SEs 之間存在長距離相互作用，且傾向于順式作用，表明 SEs 通過復雜互作網絡調控腦區特異性基因程序。

通過整合 3D 染色質結構與 GWAS 數據，研究鑒定出數百個與自閉癥（ASD）、精神分裂癥（SCZ）、阿爾茨海默�。ˋD）等神經精神疾病相關的 SNP 連鎖基因。例如，SCZ 相關 SNP rs148885076 通過增強子 hs853 與 LINC00461 基因關聯；AD、PD、ALS 等神經退行性疾病的 SNP 連鎖基因分別富集于各自病理過程。神經發育障礙（如 ASD、SCZ）共享較多基因，而神經退行性疾病基因重疊較少，提示不同疾病的分子機制差異。

該研究首次繪制了人類胎兒多腦區高分辨率 3D 染色質結構圖譜，揭示了 A/B 區室、TADs 和染色質環的時空動態對腦區發育的調控作用，鑒定了 SEs 和 GWAS SNP 連鎖基因在腦區特異性發育和神經精神疾病中的關鍵角色。研究結果不僅為理解人類腦區分化的分子機制提供了新框架，也為神經精神疾病的病理研究和靶點挖掘提供了重要資源。盡管研究受限于組織樣本的細胞異質性，但結合單細胞多組學技術的未來研究將進一步深化對腦發育和疾病的認識。