在孤獨(dú)癥（ASD）患者中，影響神經(jīng)突觸功能的稀有遺傳變異特別多。研究揭示，皮層神經(jīng)生成失調(diào)可能是自閉癥發(fā)病的關(guān)鍵所在，但我們還不清楚，與“突觸”相關(guān)的ASD風(fēng)險(xiǎn)基因如何引發(fā)早期發(fā)育異常。

近日，Giorgia Quadrato 等人在SYNGAP1基因皮質(zhì)類(lèi)器官模型中觀察到細(xì)胞結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)失衡，這不僅擾亂了細(xì)胞的支撐結(jié)構(gòu)和分裂方向，還加快了大腦皮層神經(jīng)元的成熟進(jìn)程。同時(shí)，在小鼠模型中也發(fā)現(xiàn)了相似的細(xì)胞比例失衡現(xiàn)象。這表明，SYNGAP1相關(guān)的大腦疾病可能通過(guò)非突觸途徑產(chǎn)生，強(qiáng)調(diào)了研究不同細(xì)胞類(lèi)型和發(fā)展階段在神經(jīng)發(fā)育障礙中作用的重要性。

他們的成果發(fā)表在最新一期的Nature Neuroscience雜志上，名為 “Non-synaptic function of the autism spectrum disorder-associated gene SYNGAP1 in cortical neurogenesis”

外顯子組測(cè)序揭示了與ASD相關(guān)的兩類(lèi)關(guān)鍵基因：基因表達(dá)調(diào)節(jié)與突觸功能。SYNGAP1基因是其中之一，不僅在突觸后密度（PSD）中發(fā)揮作用，還可能影響早期皮層神經(jīng)發(fā)育。作者的研究借助人腦類(lèi)器官模型，揭示了SYNGAP1在人腦發(fā)育早期的新功能，為解析ASD提供新視角。

1. SYNGAP1基因在人類(lèi)的放射狀膠質(zhì)細(xì)胞頂部表達(dá)

在此研究中，作者利用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)揭示了SYNGAP1蛋白在早期人類(lèi)大腦發(fā)育中的獨(dú)特角色。這種蛋白質(zhì)原本以存在于小鼠大腦的細(xì)胞中而聞名，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它在人類(lèi)大腦祖細(xì)胞中也有豐富表達(dá)。通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)分析，作者不僅確認(rèn)了SYNGAP1的存在，還揭示了它與細(xì)胞連接蛋白TJP1的意外互動(dòng)（圖1），為理解大腦發(fā)育提供了新線索。

圖1. SYNGAP1在人類(lèi)放射狀膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞中表達(dá)，并與緊密連接蛋白TJP1共存

2. SYNGAP1在hRGC的細(xì)胞骨骼組織中發(fā)揮作用

為揭秘SYNGAP1基因在人類(lèi)腦細(xì)胞中的作用，作者用攜帶該基因突變的患者細(xì)胞打造了早期大腦模型，發(fā)現(xiàn)SYNGAP1缺失影響了細(xì)胞骨架重組。通過(guò)分析觀察細(xì)胞形態(tài)和極性，結(jié)果表明SYNGAP1不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)混亂，影響細(xì)胞內(nèi)外的有序組織（圖2）。進(jìn)一步研究確認(rèn)了SYNGAP1在維護(hù)細(xì)胞骨架中的關(guān)鍵作用，對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的穩(wěn)定至關(guān)重要。

圖2. SYNGAP1在人類(lèi)放射狀膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞骨架組織中發(fā)揮作用

3. SYNGAP1單倍體功能不全擾亂了皮質(zhì)板塊組織

hRGCs借助頂端緊密連接維系腦室?guī)В╒Z）的組織，同時(shí)引導(dǎo)新神經(jīng)元橫穿發(fā)育中的大腦皮層，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。作者發(fā)現(xiàn)，在SYNGAP1單倍體不足的大腦類(lèi)器官中，VZ的生長(zhǎng)環(huán)境出現(xiàn)縮小，神經(jīng)前體細(xì)胞遷移能力受損，指向神經(jīng)發(fā)生失調(diào)（圖3）。BrdU標(biāo)記揭示了SYNGAP1對(duì)神經(jīng)元定位與皮層結(jié)構(gòu)整合的關(guān)鍵影響。分裂細(xì)胞的變化也意味著hRGCs的分裂模式可能發(fā)生了改變。

圖3. SYNGAP1單倍體不足擾亂了發(fā)育中的皮質(zhì)板塊的組織

4. SYNGAP1單倍不足影響hRGC的分裂模式

在人腦皮層發(fā)育中，RGC的精確分裂和分化至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，SYNGAP1基因單倍體不足導(dǎo)致這些細(xì)胞過(guò)早失去增殖能力，加速了細(xì)胞庫(kù)耗盡。作者對(duì)五萬(wàn)多個(gè)細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序，分類(lèi)出九種主要細(xì)胞類(lèi)型，發(fā)現(xiàn)模型器官中的細(xì)胞組成高度一致（圖4）。基因表達(dá)分析顯示，神經(jīng)元分化和連接形成活躍，而與分裂相關(guān)的基因表達(dá)下降。這揭示了SYNGAP1對(duì)RGC自我更新與分化平衡的影響。

圖4. SYNGAP1單倍不足影響人類(lèi)放射狀膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞的分裂模式

5.SYNGAP1水平的降低導(dǎo)致asynchronous neurogenesis

作者研究了2個(gè)月大SYNGAP1單倍體不足樣本中，hRGC分裂模式損傷對(duì)祖細(xì)胞與神經(jīng)元比例的影響（圖5）。結(jié)果顯示，隨著分化加速，SOX2+祖細(xì)胞比例減少，N+神經(jīng)元比例增加，而TBR2+細(xì)胞比例穩(wěn)定。單細(xì)胞測(cè)序暴露了實(shí)驗(yàn)限制，對(duì)應(yīng)小鼠實(shí)驗(yàn)亦反映了相似發(fā)育影響。

圖5. SYNGAP1水平的降低導(dǎo)致asynchronous neurogenesis

6. SYNGAP1單倍不足加速神經(jīng)元成熟

深入分析揭示，單倍體不足加速了神經(jīng)元發(fā)育。四個(gè)月的神經(jīng)組織樣本顯示，單倍體不足使得神經(jīng)樹(shù)突更加復(fù)雜，相關(guān)基因表達(dá)增強(qiáng)，表現(xiàn)為更旺盛的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)（圖6）。這些發(fā)現(xiàn)印證了SYNGAP1在神經(jīng)元成熟和皮層層次結(jié)構(gòu)形成中的關(guān)鍵作用，缺失會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育的異步和加速。

圖6. SYNGAP1單倍不足的類(lèi)器官表現(xiàn)出皮質(zhì)投射神經(jīng)元加速成熟

總結(jié)

遺傳學(xué)研究揭示了ASD等神經(jīng)疾病背后的秘密。通過(guò)模擬人腦發(fā)展，作者發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵突觸蛋白SYNGAP1的變異影響了大腦的早期形成。這些發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對(duì)ASD的理解，也為治療策略提供了新的方向，即早期介入可能比成年后治療更為關(guān)鍵。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41593-023-01477-3

參考文獻(xiàn)

Birtele M, Del Dosso A, Xu T, Nguyen T, Wilkinson B, Hosseini N, Nguyen S, Urenda JP, Knight G, Rojas C, Flores I, Atamian A, Moore R, Sharma R, Pirrotte P, Ashton RS, Huang EJ, Rumbaugh G, Coba MP, Quadrato G. Non-synaptic function of the autism spectrum disorder-associated gene SYNGAP1 in cortical neurogenesis. Nat Neurosci. 2023 Nov 9. doi: 10.1038/s41593-023-01477-3. Epub ahead of print. PMID: 37946050.

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）






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