人体内的单个细胞会随着时间的推移逐渐发育，最终分化为具有特定功能的细胞。这个过程被称为细胞分化或特化，是形成具有不同用途的不同细胞群的关键。

过去的研究表明，细胞的命运也受到表观遗传机制（即基因与环境因素的相互作用）的调节。然而，迄今为止，这些表观遗传机制还难以精确定位。

苏黎世联邦理工学院和罗氏人类生物学研究所的研究人员最近开展了一项研究，旨在探索影响单个细胞发育轨迹的表观遗传过程，利用源自多能干细胞的人类大脑和视网膜类器官。

他们的论文发表在《自然神经科学》上，概述了单细胞表观基因组图谱，可以帮助研究人类细胞命运决定。

论文共同作者 Fides Zenk 向 Medical Xpress 表示：“我们最近在《自然神经科学》杂志发表的论文，灵感来源于对更好地理解调节人类大脑和视网膜发育过程中细胞命运决定的表观遗传机制的需求。”

“主要目标是创建一个全面的单细胞表观基因组图谱，可以捕捉从多能干细胞到分化神经细胞的转变。”

Zenk 和她的同事着手创建一张可以作为“蓝图”的图谱，以探索激活和抑制组蛋白修饰如何在细胞发育过程中协调细胞的分化。

为了研究人类细胞多样化的表观遗传机制，研究人员利用多能干细胞在实验室环境下创建了人类大脑和视网膜类器官，即三维（3D）微型人体器官，并进行了实验。

“我们对三种关键组蛋白修饰进行了单细胞分析：H3K27ac（激活）、H3K27me3（抑制）和 H3K4me3（激活），”Zenk 解释道。“利用 CUT&Tag（靶点切割和标记）和单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）等技术，我们将这些修饰映射到从多能性到分化神经状态的不同发育阶段。”

研究人员利用表观遗传技术追踪了这三种关键组蛋白修饰在细胞经历不同发育阶段时的变化情况。他们在实验中收集的观察结果使他们能够识别出调控单个细胞命运的动态表观遗传“开关” 。

“我们确定了调节细胞命运决定的动态表观遗传开关，并创建了人类大脑和视网膜发育的单细胞表观基因组图谱，”Zenk 说。“我们发现抑制和激活组蛋白修饰的转换发生在细胞命运决定之前。

“此外，我们证明，在神经外胚层阶段去除 H3K27me3 会破坏命运限制，导致细胞身份异常。”

这项最新研究的成果有助于理解人类细胞发育及其潜在的表观遗传机制。未来，该团队的研究结果和他们绘制的图谱可能有助于阐明各种神经发育障碍的表观遗传基础，同时也可能为疾病建模和新再生医学技术的开发提供信息。

Zenk 补充道：“我们未来的研究计划包括进一步探索组蛋白修饰相互作用以调节细胞命运决定的机制，并将我们的单细胞表观基因组图谱扩展到其他类器官模型和发育系统。”

“我们还旨在研究特定的表观遗传修饰如何导致疾病状态，并探索可以调节这些表观遗传标记以恢复正常细胞功能的治疗干预措施。”