大腦是哺乳動物體內最複雜的器官，具有多種多樣的生理機能，錯綜複雜的細胞結構以及極為豐富的基因表達。在不同腦區、細胞和亞細胞層面鑑定大腦的分子構成，必將推進我們對正常和患病狀態下大腦功能的認識和理解。
2020年3月6日，由卡羅林斯卡學院、瑞典皇家理工學院和華大等團隊合作在Science上發表文章An atlas of the protein-coding genes in the human, pig, and mouse brain（人類、豬、小鼠大腦中的蛋白編碼基因圖譜）。該研究基於多種轉錄組學方法和抗體圖譜技術，對大腦不同區域進行了全面、深入的分子解析，並且提供了高質量的蛋白編碼基因的分子圖譜，為進一步研究提供了有力的武器。
人類蛋白圖譜（The Human Protein Atlas，HPA）是一個大規模研究項目，旨在結合轉錄組學與蛋白組學，探索不同細胞、組織和器官的轉錄本和蛋白質的空間表達水平。目前，HPA下的組織圖譜（The Tissue Atlas）僅僅包含有限的幾個人類大腦區域（大腦皮層、海馬、尾狀核和小腦）的數據。正因如此，我們迫切需要更加深入的研究，從而增進對於中樞神經系統的細胞動力學背後複雜的分子過程的理解。
該研究成功地構建了哺乳動物大腦的基因圖譜，是對現有的若干個大腦圖譜項目的重要補充。為了確定大腦在不同系統發育順序上的差異和相似性，研究涵蓋了三個物種的表達譜：靈長類動物（人）、偶蹄目（豬）和齧齒目動物（小鼠）。研究的重要部分之一是將蛋白圖譜和轉錄組數據相結合，對小鼠大腦多個區域的特定蛋白進行了深入研究。所有數據——包括高解析度圖像和元數據——全部公開以便後續研究。
研究團隊首先對GTEx、CAGE和HPA資料庫的人轉錄組數據，以及豬和小鼠的轉錄組數據進行了歸一化，從而消除批次效應，便於進行比較分析。團隊利用UMAP（The Uniform Manifold Approximation and Projection，一種降維算法）分析不同腦區間的基因表達模式，並藉助現有的HPA腦圖譜數據，將豬和小鼠的轉錄組數據一對一地對應到人的同源基因上。三個物種的大腦均被劃分成10個區域，分別是嗅球、大腦皮質、海馬體、杏仁核、基底核、下丘腦、丘腦、中腦、腦橋和延髓，以及小腦。
聚類結果顯示，三個物種的腦幹區（中腦、丘腦、腦橋和延髓）的基因表達較為接近，與下丘腦的差異也較小，而大腦皮質、海馬體和杏仁核互相之間更為接近。為了確定不同腦區的分子特徵，研究團隊根據基因表達特異性進行了分類。在三個物種中，小腦都是包含最多特異性上調基因的腦區。為了進一步分析不同物種間上調基因的差異，研究人員按大腦結構進行了劃分：大腦、下丘腦、腦幹和小腦。圍繞這些上調的基因，分層樹分析支持了先前的大腦結構理論，下丘腦和小腦被聚類到了一起，與此同時腦幹和大腦也聚類到一起。
圖1.三個物種不同腦區的基因表達特徵
研究團隊鑑定出537個不同腦區高表達的基因，包括人們較為熟知的甘丙肽、催產素、加壓素編碼基因（下丘腦），TBR1、SATB2和NEUROD6等轉錄因子（大腦），Hox基因（腦幹）等，也有一些高表達基因的功能尚待進一步的探索。對這些基因的表達進行物種間的比較帶來了許多新發現，比如，由中間神經元細胞表達的轉錄因子TFAP2B在三個物種間有著相似的表達，而促泌素（secretagogin，SCGN），一種在嗅球中表達的鈣結合蛋白，在人小腦的星狀細胞中也有表達，而在豬和小鼠中則沒有。這些差異表達基因可能與大腦的某些功能相關聯。
圖2.物種間的基因表達比較
大腦功能的實現有賴於不同類型的、具有不同「化學表型」的神經元構成的複雜迴路。研究人員分析了三個物種細胞識別基因的分布情況，包括：1053個轉錄因子；與神經遞質生成、運輸和清除相關的63個相關基因；以及118個已知的神經遞質和神經肽的受體的基因。某些轉錄因子在物種間是高度保守的，如EMX1和BHLHE22。而某些則在物種間差異較大，如NEUROD1作為小鼠小腦發育的關鍵基因之一，不僅在小腦，而且在豬和小鼠的視網膜細胞中也有表達，人視網膜細胞則沒有。
圍繞神經遞質產生和運輸的相關基因，研究人員發現負責合成神經遞質的酶在三個物種的分布較為相似，體現出哺乳動物大腦構成的保守性，而少數例外情況，也即不同物種間的差異，可能會為神經藥理學研究提供一些線索。比如和目前至少30%處方藥的作用機制密切相關的G蛋白偶聯受體（GPCRs）的相關基因，在三個物種間的表達模式存在差異，因此在新藥研發的動物實驗中應該加以考慮。
圖3.哺乳動物大腦中細胞識別基因的表達譜
研究人員對大腦相對於全身其他組織/器官的基因表達進行了比較分析，分為腦組織上調基因、其他組織上調基因和低組織特異性基因。對於公認的420個神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞的特徵基因（signature gene）的分析表明，這些基因在其他組織也可能有高表達，在相關的研究中應該採取更為全面與整體性的視角。
圖4.大腦中特徵基因在全身各組織的表達
總而言之，該研究結合轉錄組學、蛋白圖譜等多維度數據，對人、豬、小鼠腦中的編碼基因進行了深入、細緻的解析。人類大腦圖譜的構建，將為全世界研究者提供更為豐富的數據資源，以利於對哺乳動物大腦的基因組學研究和進一步探索。