Nat Neurosci | 脆性X染色体综合征类脑模型揭示新的治疗靶点

脆性X染色体综合征（Fragile X syndrome，FXS）是常见的遗传性智力障碍疾病，也是引起自闭症谱系障碍的常见遗传因素。临床表现为中度学习障碍，社交障碍，并伴有特殊面容等。发病者多为男性，男性发病率约为1/4000，女性发病率约为1/6000-8000。它主要是由于X染色体上的FMR1基因5′端非编码区的CGG重复序列扩增引起。在健康人群中CGG重复次数小于55，而在患有脆性X综合征患者中CCG重复次数大于200，引起FMR1启动子区域发生异常甲基化，抑制FMR1基因表达，导致其编码的蛋白FMRP缺失。FMRP作为RNA结合蛋白，能够与大量的神经发育相关基因的mRNA直接结合并调控蛋白合成及其功能，进而影响神经元突触可塑性。

2021年8月19日，美国Emory University医学院Zhexing Wen和Peng Jin合作（共同一作为Yunhee Kang、Ying Zhou和Yujing Li）在Nature Neuroscience上发表了文章A human forebrain organoid model of fragile X syndrome exhibits altered neurogenesis and highlights new treatment strategies，利用FXS患者的诱导多能干细胞建立类脑器官模型，研究FMRP蛋白缺失对神经发育和功能的影响，及其对基因表达的调控，并发现PI3K信号通路抑制剂可以作为治疗FXS的潜在靶点。

首先，作者建立健康者、FXS患者和isogenic对照的诱导多能干细胞并进一步分化成类脑组织，在第56天，也就相当于人类胚胎大脑发育中期开展研究。总体上来看FMRP缺失并不影响类脑发育的大小，但是能引起神经前体细胞的增殖变化，在FXS类脑模型中神经元前体细胞中细胞增殖减少，更多的细胞分化成为神经元细胞。进一步研究发现TBR2阳性的这类中间前体细胞的分布发生变化，在正常对照组的类脑组织中其主要分布在脑室样结构区域（神经新生区域）的边缘，而在FXS患者类脑中这类细胞向外迁移主要分布在皮质板层结构区域。并且在PAX6阳性的神经前体细胞中新生未成熟神经元标记物DCX表达量在FXS类脑组织表达高于对照组，以上这些结果都提示FMRP缺失对导致神经元前体细胞的增殖和神经元分化异常改变。大脑皮层发育遵循由内到外的模式，先产生早期的深层神经元到晚期的浅层神经元，最终形成规则排布的具有多个分层的大脑皮层结构，作者观察到在这种分层的现象在FXS类脑模型被破坏，并且皮层中GABA神经元的比例下降。

随后，作者研究了FMRP缺失对突触形成和神经元功能的影响，发现和对照组相比FXS类脑模型中神经元上突触结的数量增加。对类脑组织切片进行全细胞膜片钳记录发现， FXS组的动作电位发放频率增加，神经元过度兴奋，其可能与钾离子通道的改变相关。作者还发现两种临床试验药物PI3K激酶抑制剂在类脑模型中可以改善神经前体细胞增殖和神经元突触数量，为今后治疗FXS提供依据。

最后，作者对FMRP缺失对神经发育相关基因表达的影响进行分析，发现FXS类脑模型与对应时期的人类FXS流产胎儿脑组织中基因表达模式非常接近。而与小鼠模型相比，在FXS类脑模型中发现更多的与正常对照组差异表达的基因。单细胞测序进一步发现与神经发育 (神经新生、分化，神经元投射) 相关的基因在FXS类脑模型中下调，而在与神经元功能所必需的蛋白质翻译和氧化磷酸化途径中相关基因表达上调。进一步运用UMAP将类脑组织细胞群分成14个不同细胞类群，并对对每个细胞类群进行的基因表达分析，发现与对照组相比FXS组经历不同的发育过程，特别是抑制性神经元分化异常。此外，作者利用eCLIP-seq技术发现更多人类FMRP蛋白调控的靶向mRNA，这些基因涉及神经发育和突触相关信号，其中大部分基因与自闭症和精神分裂症相关。例如CHD2基因，它的突变与自闭症和认知能力下降相关，作者发现类脑中FMRP可以直接与人的CHD2 mRNA互作但是与老鼠的CHD2 mRNA不发生互作。

综上所述，FXS类脑模型与小鼠模型相比更接近于人类FXS患者脑部病理特征，可以用于药物筛选，发现新靶点，成为研究神经发育障碍疾病的重要模型之一。