Conserved and divergent gene regulatory programs of the mammalian neocortex

生物 调节顺序 基因 表观遗传学 表观基因组 遗传学 染色质 DNA甲基化 基因表达调控 基因组 保守序列 基因调控网络 表观遗传学 计算生物学 基因表达 进化生物学 肽序列
作者
Nathan R. Zemke,Ethan J. Armand,Wenliang Wang,Seo Yeon Lee,Jingtian Zhou,Yang Eric Li,Hanqing Liu,Wei Tian,Joseph R. Nery,Rosa Castanon,A. Bartlett,Julia K. Osteen,Daofeng Li,Xiaoyu Zhuo,Vincent Xu,Lei Chao,Kevin Dong,Hannah S. Indralingam,Jon Rink,Yang Xie,Michael Miller,Fenna M. Krienen,Qiangge Zhang,Naz Taskin,Jonathan Y. Ting,Guoping Feng,Steven A. McCarroll,Edward M. Callaway,Ting Wang,Ed Lein,M. Margarita Behrens,Joseph R. Ecker,Bing Ren
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:624 (7991): 390-402 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06819-6
摘要

Abstract Divergence of cis- regulatory elements drives species-specific traits 1 , but how this manifests in the evolution of the neocortex at the molecular and cellular level remains unclear. Here we investigated the gene regulatory programs in the primary motor cortex of human, macaque, marmoset and mouse using single-cell multiomics assays, generating gene expression, chromatin accessibility, DNA methylome and chromosomal conformation profiles from a total of over 200,000 cells. From these data, we show evidence that divergence of transcription factor expression corresponds to species-specific epigenome landscapes. We find that conserved and divergent gene regulatory features are reflected in the evolution of the three-dimensional genome. Transposable elements contribute to nearly 80% of the human-specific candidate cis- regulatory elements in cortical cells. Through machine learning, we develop sequence-based predictors of candidate cis- regulatory elements in different species and demonstrate that the genomic regulatory syntax is highly preserved from rodents to primates. Finally, we show that epigenetic conservation combined with sequence similarity helps to uncover functional cis- regulatory elements and enhances our ability to interpret genetic variants contributing to neurological disease and traits.
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