摘要
非人灵长类(non-humanprimates，NHPs)在进化和生活习性上都与人类较为接近，被广泛用于各类基础研究。本论文以NHPs为研究对象，从节律基因网络、大脑转录组和等位基因特异性表达(allele-specificexpression,ASE)三个方面进行了探究。在第一部分，我们通过对狒狒63个不同器官节律转录组的整合分析，发现基因网络在灵长类器官中表现出昼夜节律组织。在第二部分，通过整合食蟹猴大脑转录组和神经影像结构数据，我们在全脑水平和特定细胞类型水平上提供了对磁共振成像(magneticresonanceimaging，MRI)衍生皮质形态的新见解。最后一部分，我们基于杂交猴策略开发了一个计算框架来检测子代杂交猴中基于亲本基因组的ASE,并观察到脑组织ASE基因与包括自闭症谱系障碍(autismspectrumdisorder,ASD)在内的诸多神经系统疾病之间存在密切关联。 昼夜节律，也称生物钟，是机体为了适应外界24小时光暗变化而产生的内源性振荡。哺乳动物的生物钟系统在结构上是分层的，大脑的视交叉上核作为一个主要的起搏器，协调了其他器官的时钟。在分子水平上，这一过程可以由核心转录因子及其下游靶点的节律共表达来刻画。这些分子钟之间的相互作用对于适当的内稳态是必要的，但其特征仍未明确。为了回答这个问题，我们通过对狒狒63个器官的节律转录组的整合分析来表征昼夜节律控制下的基因网络的特性。我们发现，53.4％(8120)的狒狒基因是全身振荡的。在网络层面，我们观察到两种基本网络模式:白天模式和夜间模式。新陈代谢相关的基因富集于白天网络，而与生长和细胞信号相关的基因富集于夜间网络。大量疾病只在白天或夜间形成显著的基因模块。此外，大多数新型冠状病毒(SARS-CoV-2)相关基因和模块具有节律性表达，与昼夜节律调节器具有显著的网络相似性。我们这部分数据表明，昼夜节律基因网络之间的同步对于正常的内稳态平衡是必要的，并且昼夜节律调节器与SARS-CoV-2感染有密切的相互作用。 转录组和神经成像数据的综合分析已经产生了大量关于人类成像衍生脑表型在脑区间差异的生物学见解。但由于缺少全面的基于解剖定义的大脑转录组图谱，上述信息在NHPs中较为缺乏。为了解决这个问题，我们使用高通量测序生成了来自819个样本，涵盖110个大脑区域的全脑转录组图谱。通过整合该转录组图谱、单细胞核RNA-seq数据集、以及来自162只食蟹猕猴的神经成像数据，我们尝试建立全脑基因表达和形态变化之间的联系。首先，通过对全脑转录组图谱的系统分析，我们刻画了全脑范围内基因表达特征并绘制了多种神经递质相关基因的皮层景观。我们不仅观察到猴脑与人脑存在类似的整体/区域表达谱，而且揭示了灵长类大脑额叶内存在从背侧-腹内侧的基因表达梯度。随后，我们将该空间表达图谱与来自162只食蟹猴的MRI结构数据进行整合分析，识别出1005个与猴脑皮层厚度相关的基因，并发现这些基因在神经元和少突胶质细胞中富集。综上所述，在该研究中，我们提供了一个全面的食蟹猴大脑空间转录图谱，该图谱可以整合微尺度单细胞/细胞核RNA测序和宏观脑成像数据，以阐明大脑表型的分子和遗传结构。这些数据为研究NHP的人类疾病模型和探索跨物种进化机制提供了一个独特的资源。 基因组印迹会引起ASE,即一个等位基因的优先表达。基因组印记或ASE基因的改变在包括ASD在内的多种神经系统疾病中被广泛观察到。我们通过杂交恒河猴和食蟹猴产生了子代杂交猴，并开发了一个计算框架来识别子代杂交猴中基于亲本基因组的ASE。在脑组织中，我们鉴定了353个ASE基因，并发现它们在基因组上相互临近并且其表达模式具有脑区特异性。进一步，我们发现，这些基因在包括ASD、双相情感障碍和癫痫等神经精神疾病中显著富集。其中，ASD易感基因（如NRXN1和NRXN3)在ASD患者中表现出等位基因特异性表达和调控异常。综上，我们构建了利用杂交猴进行ASE基因鉴定的分析策略，并观察到ASE基因与ASD特征之间显著富集，这表明，评估ASE基因可以促进我们对神经系统疾病复杂分子机制的理解。 综上所述，我们对基因网络节律特性的刻画有助于进一步理解昼夜节律的组织协调机制，网络的时间二态性为利用昼夜节律来辅助诊断和治疗疾病提供了理论基础。另一方面，我们对MRI衍生表型相关基因和ASE基因的研究为理解大脑复杂表型和行为奠定了分子基础，促进了我们对神经系统疾病遗传病因学的认识。
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