Nat子刊: 利用类脑器官研究人脑发育，打开孤独症机制研究新视角
在孤独症（ASD）患者中，影响神经突触功能的稀有遗传变异特别多。研究揭示，皮层神经生成失调可能是自闭症发病的关键所在，但我们还不清楚，与“突触”相关的ASD风险基因如何引发早期发育异常。
近日，Giorgia Quadrato 等人在SYNGAP1基因皮质类器官模型中观察到细胞结构的动态失衡，这不仅扰乱了细胞的支撑结构和分裂方向，还加快了大脑皮层神经元的成熟进程。同时，在小鼠模型中也发现了相似的细胞比例失衡现象。这表明，SYNGAP1相关的大脑疾病可能通过非突触途径产生，强调了研究不同细胞类型和发展阶段在神经发育障碍中作用的重要性。
他们的成果发表在最新一期的Nature Neuroscience杂志上，名为 “Non-synaptic function of the autism spectrum disorder-associated gene SYNGAP1 in cortical neurogenesis”
外显子组测序揭示了与ASD相关的两类关键基因：基因表达调节与突触功能。SYNGAP1基因是其中之一，不仅在突触后密度（PSD）中发挥作用，还可能影响早期皮层神经发育。作者的研究借助人脑类器官模型，揭示了SYNGAP1在人脑发育早期的新功能，为解析ASD提供新视角。
1. SYNGAP1基因在人类的放射状胶质细胞顶部表达
在此研究中，作者利用单细胞测序技术揭示了SYNGAP1蛋白在早期人类大脑发育中的独特角色。这种蛋白质原本以存在于小鼠大脑的细胞中而闻名，现在发现它在人类大脑祖细胞中也有丰富表达。通过蛋白质组学分析，作者不仅确认了SYNGAP1的存在，还揭示了它与细胞连接蛋白TJP1的意外互动（图1），为理解大脑发育提供了新线索。
图1. SYNGAP1在人类放射状胶质细胞祖细胞中表达，并与紧密连接蛋白TJP1共存
2. SYNGAP1在hRGC的细胞骨骼组织中发挥作用
为揭秘SYNGAP1基因在人类脑细胞中的作用，作者用携带该基因突变的患者细胞打造了早期大脑模型，发现SYNGAP1缺失影响了细胞骨架重组。通过分析观察细胞形态和极性，结果表明SYNGAP1不足导致结构混乱，影响细胞内外的有序组织（图2）。进一步研究确认了SYNGAP1在维护细胞骨架中的关键作用，对神经胶质细胞的稳定至关重要。
图2. SYNGAP1在人类放射状胶质细胞的细胞骨架组织中发挥作用
3. SYNGAP1单倍体功能不全扰乱了皮质板块组织
hRGCs借助顶端紧密连接维系脑室带（VZ）的组织，同时引导新神经元横穿发育中的大脑皮层，构建神经网络。作者发现，在SYNGAP1单倍体不足的大脑类器官中，VZ的生长环境出现缩小，神经前体细胞迁移能力受损，指向神经发生失调（图3）。BrdU标记揭示了SYNGAP1对神经元定位与皮层结构整合的关键影响。分裂细胞的变化也意味着hRGCs的分裂模式可能发生了改变。
图3. SYNGAP1单倍体不足扰乱了发育中的皮质板块的组织
4. SYNGAP1单倍不足影响hRGC的分裂模式
在人脑皮层发育中，RGC的精确分裂和分化至关重要。研究发现，SYNGAP1基因单倍体不足导致这些细胞过早失去增殖能力，加速了细胞库耗尽。作者对五万多个细胞进行单细胞RNA测序，分类出九种主要细胞类型，发现模型器官中的细胞组成高度一致（图4）。基因表达分析显示，神经元分化和连接形成活跃，而与分裂相关的基因表达下降。这揭示了SYNGAP1对RGC自我更新与分化平衡的影响。
图4. SYNGAP1单倍不足影响人类放射状胶质细胞祖细胞的分裂模式
5.SYNGAP1水平的降低导致asynchronous neurogenesis
作者研究了2个月大SYNGAP1单倍体不足样本中，hRGC分裂模式损伤对祖细胞与神经元比例的影响（图5）。结果显示，随着分化加速，SOX2+祖细胞比例减少，N+神经元比例增加，而TBR2+细胞比例稳定。单细胞测序暴露了实验限制，对应小鼠实验亦反映了相似发育影响。
图5. SYNGAP1水平的降低导致asynchronous neurogenesis
6. SYNGAP1单倍不足加速神经元成熟
深入分析揭示，单倍体不足加速了神经元发育。四个月的神经组织样本显示，单倍体不足使得神经树突更加复杂，相关基因表达增强，表现为更旺盛的网络活动（图6）。这些发现印证了SYNGAP1在神经元成熟和皮层层次结构形成中的关键作用，缺失会导致神经发育的异步和加速。
图6. SYNGAP1单倍不足的类器官表现出皮质投射神经元加速成熟
总结
遗传学研究揭示了ASD等神经疾病背后的秘密。通过模拟人脑发展，作者发现关键突触蛋白SYNGAP1的变异影响了大脑的早期形成。这些发现不仅丰富了我们对ASD的理解，也为治疗策略提供了新的方向，即早期介入可能比成年后治疗更为关键。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41593-023-01477-3
参考文献
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.
编译作者：Ayden（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
