Nature | 人脑皮层类器官揭示自闭症的不同风险基因的相同点：均能引起特定神经元的异常发育

撰文 | Qi

自闭症谱系障碍 (ASD) 是一种儿童期发病的神经发育障碍，其特征是认知、运动和感觉缺陷，其遗传风险与数百个跨不同生物学功能的基因相关，且相同的突变会导致不同的临床表现【1-4】。然而，人们对于这种庞大且异质的基因集合引发ASD特征的原因仍然知之甚少。

近日，来自哈佛大学的Paola Arlotta团队在Nature杂志上发表了一篇题为 Autism genes converge on asynchronous development of shared neuron classes 的文章，研究人员利用人类大脑皮层类器官模型鉴定来自不同供体的3个ASD风险基因——SUV420H1、ARID1B和CHD8的突变能导致两种主要的皮层神经元谱系γ-氨基丁酸释放（GABAergic）神经元和深层兴奋性投射神经元的异常发育，但表达程度受个体基因组环境的影响。类器官中的钙成像显示早期发育变化之后异常的神经回路活动。总之，这项研究揭示了在ASD风险基因之间共享并受人类基因组环境密切调节的细胞类型特异性的神经发育异常，并解释不同风险基因如何一致促成ASD表型特征。

为了确认不同ASD风险基因的突变是否能引起共同表型，研究人员利用不同供体多个细胞系的iPSC方法生成皮质类器官，通过scRNA-seq分析每个阶段的类器官以确认神经发育启动。接下来，作者表达携带杂合的插入缺失突变ASD风险基因（SUV420H1、ARID1B和CHD8）的类器官表现出与患者中所见的大头/小头畸形相似的大小缺陷，说明类器官可以捕获ASD的临床相关特征。

随后，作者利用scRNA-seq绘制了来自SUV420H1^+/-和对照组的三种不同细胞来源（Mito294、PGP1和Mito210）的类器官早期发育图谱。值得注意的是，突变体在不同背景中早在1个月时已表现出广泛的GABA能神经元标志物，深层投射神经元谱系的早期细胞类型也有所增加，且上调的基因中富含与神经元分化、成熟和突触功能相关的GO term。但是不同细胞来源的类器官对这两种加速成熟的细胞类型的倾向不同，比如PGP1系表现出更明显的GABA能神经元差异，而Mito210系表现出更多的深层投射神经元的差异。由于 SUV420H1编码组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶，作者还检查了染色质可及性的变化并在所有细胞类型中确定了414个显着的差异可及区域（differentially accessible regions, DAR），与在scRNA-seq分析中观察到的结果一致。

基于上述的差异基因表达和可及性变化，作者利用AAV-GCaMP记录4个月的类器官中的钙动态信号。在用NBQX阻断兴奋性突触后，只有对照组显示钙瞬变，表明对照细胞更容易兴奋。相反，突变体表现出神经网络爆发频率和持续时间的相对降低，说明SUV420H1^+/-类器官减少了自发活动。

那么在SUV420H1^+/-类器官中观察到的特征是否同样适用于ARID1B^+/−类器官呢？值得注意的是，ARID1B^+/−类器官中GABA能神经元及其祖细胞数量明显增加，虽然ARID1B^+/−基因型对深层投射神经元谱系有相反的影响，但数据显示SUV420H1和ARID1B这两种不相关的基因所影响的细胞类型有明显的聚拢性。与这两种类器官相似，CHD8^+/-基因型也能导致GABA能神经元的加速发育和成熟。因此，对于这三种风险基因，这种神经元发育异常的表型变化出现在多个不同细胞来源中，但彼此间具有不同的表达程度。

为了确认这三种基因型是否通过共同的分子途径影响神经元谱系的发育，作者比较了表现出强表型的三种，即Mito210 SUV420H1、Mito210 ARID1B和HUES66 CHD8细胞系中的基因表达变化。然而，RNA-seq显示差异基因几乎没有重叠。此外，全蛋白组质谱分析也显示差异表达蛋白在三个组别间的重叠度非常低，只有5种在至少2个突变中显着失调。为了评估受影响的蛋白质是否与共享的差异表达蛋白相互作用，作者为每个突变的前50个差异表达蛋白创建一个相互作用蛋白网络并进行聚类分析，结果显示这三个风险基因尽管影响不同的蛋白质，但能影响共同的途径。

总之，这项研究基于不同风险基因及其引起的异常表现说明不同的人类基因组环境能调节表型外显，这与在ASD患者中观察到的不同临床表现一致。此外，这些风险基因虽然在分子靶标上存在差异，但均能影响特定神经元谱系的早期发育，强调未来在治疗ASD时要重视它们所影响的共同途径。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04358-6

制版人：十一

参考文献

1. Grove, J. et al. Identification of common genetic risk variants for autism spectrum disorder. Nat. Genet. 51, 431–444 (2019).

2. Satterstrom, F. K. et al. Large-scale exome sequencing study implicates both developmental and functional changes in the neurobiology of autism. Cell 180, 568 584 (2020).

3. Cooper, D., Krawczak, M., Polychronakos, C., Tyler-Smith, C. & Kehrer-Sawatzki, H. Where genotype is not predictive of phenotype: towards an understanding of the molecular basis of reduced penetrance in human inherited disease. Hum. Genet. 132, 1077–1130 (2013).

4. Zlotogora, J. Penetrance and expressivity in the molecular age. Genet. Med. 5, 347–352 (2003).

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