人类唐氏综合征与三体小鼠大脑的分子图谱：多组学揭示神经发育异常机制

本期推荐：为解析唐氏综合征（DS）神经发育异常的分子机制，研究人员整合单核RNA测序、空间转录组与蛋白质组学，首次绘制中孕期人脑分子图谱。发现神经祖细胞（NPC）谱系分化基因动态异常、转座子（TE）去抑制及SLIT-ROBO信号受损，揭示细胞周期紊乱、免疫激活及染色质重塑失调。Ts65Dn小鼠模型验证神经胶质空间微环境改变。该研究为DS神经病理提供多尺度资源，发表于《Nature Communications》。

　　

唐氏综合征（Down syndrome, DS）作为最常见的染色体异常疾病，不仅导致智力障碍，还伴随神经发育异常和加速的神经退行性病变。尽管已知其由21号染色体三体（Trisomy 21）引起，但 prenatal（产前）神经发育过程中的分子机制尚未完全阐明。尤其在皮质生成（corticogenesis）中，神经祖细胞（neural progenitor cells, NPCs）的增殖、分化与迁移异常如何导致大脑结构缺陷，仍是未解之谜。此外，DS个体还表现出早期痴呆、学习记忆障碍等复杂表型，其 prenatal 起源亟需深入探索。

为系统解析DS神经发育的分子基础，研究人员在《Nature Communications》发表了综合性研究，整合单核RNA测序（snRNA-seq）、高分辨率空间转录组（Slide-seq）和蛋白质组学，首次绘制了中孕期（13-19 post-conception weeks, PCW）人脑分子图谱，并借助Ts65Dn三体小鼠模型进行跨物种验证。研究不仅揭示了NPC中基因表达动态异常、转座子（transposable elements, TEs）去抑制等新机制，还发现了细胞微环境的空间失调，为理解DS神经病理提供了多尺度资源。

研究主要采用了以下关键技术：

1. 1.
   单核RNA测序（snRNA-seq）对5例DS和5例 euploid（二倍体） prenatal 人脑样本进行细胞分型与差异分析；
2. 2.
   Slide-seq空间转录组技术对3例DS和3例 euploid 样本进行空间细胞定位；
3. 3.
   蛋白质组学分析4例DS和3例 euploid 样本的蛋白表达变化；
4. 4.
   多重误差稳健荧光原位杂交（MERFISH）对Ts65Dn小鼠模型（P0和6月龄）进行空间转录组解析；
5. 5.
   免疫荧光染色验证关键蛋白表达（如ROBO1、LINE1-ORF1、LMNB1、TP53）。
   人脑样本来源于Human Developmental Biology Resource（HDBR），小鼠模型为Ts65Dn品系。

结果部分

Combined spatial and single-nucleus analysis of the prenatal human DS brain

通过snRNA-seq对122,663个细胞核进行分析，鉴定了神经祖细胞（NPCs）、兴奋性神经元（ExN）、抑制性神经元（InN）、星形胶质细胞祖细胞、少突胶质细胞祖细胞（OPCs）、小胶质细胞和血管相关细胞等主要类型。进一步亚群分析发现5种NPC亚型（oRG、vRG、CP、IP Ex和IP In）、6种ExN亚型（层特异性）以及4种皮质InN和4种纹状体InN亚型。空间转录组映射显示细胞类型注释与其在脑室区和皮质中的位置一致。细胞比例在DS与 euploid 间无显著变化，与近期文献一致。

Differential gene expression analysis in the prenatal human DS brain

差异表达分析揭示Hsa21三体导致DS关键区域（DSCR）基因的细胞类型特异性过表达。最显著的是细胞周期相关通路一致下调，涉及细胞周期调控、M期、S期、DNA合成与复制、姐妹染色单体分离等Reactome术语，关键基因如CDK1、CDK4、CCND2、CCNG1、CDKN1B、TP53等下调。免疫荧光验证了DS NPC中TP53蛋白显著降低（p=0.006）。

翻译机制广泛失调，包括细胞质翻译、核糖体生物发生、肽生物合成、蛋白质折叠等GO过程，以及Reactome的翻译起始、延伸和rRNA处理通路，如EIF3F、EIF3G、EEF1A1、EEF2、RPL和RPS家族基因下调。自噬相关基因（如GABARAP、GABARAPL2、HSP90AA1、HSP90AB1、HSPA8、LAMTOR1、LAMTOR5）也下调。

免疫相关通路受影响，先天与适应性免疫反应、免疫调节、病毒生命周期、细胞因子产生等术语负富集，效应分子如HMGB1/2/3、MIF、HLA-A、UBB/C、UBA52下调。

SLIT-ROBO信号显著受损，Reactome术语如ROBO受体信号和SLIT-ROBO表达调控负富集。空间转录组显示DS皮质中ROBO1和SLIT1表达降低，免疫荧光证实NEUN⁺神经元中ROBO1蛋白减少（p=0.017），提示神经元定位异常。

DS NPC（oRG、vRG、IP、CP）显示神经元分化通路负富集，如GABA能神经元分化、前脑神经元分化、神经元命运决定等，关键基因ASCL1、SOX1/2/3、HES5、FOXO1、BCL11B下调。同时，立即早期基因（IEGs）如EGR1、FOS、JUN、IER2在DS NPC中特异性上调。染色质相关蛋白（如HMGB1/2、EZH2、EED、KAT2A、AURKB、VRK1、DNMT1、DNMT3A、组蛋白、HDAC2/4）广泛下调，而USP16和DYRK1A上调。核纤层蛋白LMNB1减少，免疫荧光显示DS NPC中LMNB1强度降低（p=0.0001）。

ExN中NOTCH和WNT信号、自噬下调，免疫效应物（UBB/C、HMGB1/2、TRIM28）和蛋白酶体基因（PSMD4/7/8/13）下调。InN中突触信号、突触可塑性调控、轴突发育、细胞间信号通路正富集，GABA受体亚基（GABRB3、GABRG3）以及MDGA2、NLGN1、NRG1、ERBB4、NTRK2/3、CNTN5上调。

星形胶质细胞祖细胞显示微管运输、纤毛运动、细胞投射组装相关基因上调（如DNAH14、DYNC1I1、CFAP161）。小胶质细胞中染色质重塑正富集，热反应和细胞因子产生负富集，热休克蛋白（HSPA1A/B、HSP90AA1、HSPB1）和Toll样受体（TLR2）下调。

Microenvironmental changes in the prenatal human DS brain

细胞微环境分析显示，在脑室区，DS中oRG在IP附近稀疏，皮质无显著变化。LOSO（leave-one-subject-out）分析验证了oRG密度 near IP在DS脑室区的一致性改变。

RNA velocity analysis in the prenatal human DS brain

RNA速度分析显示DS大脑分化轨迹 broadly similar，但NPC中RNA速度向量方向性降低，提示分化过程减速。新生浅层ExN中缺乏方向性，反映细胞活性降低或终末分化。InN和纹状体InN谱系轨迹更 distinct，提示分化偏向抑制性命运。潜时分析显示DS细胞类型潜时 uniformly reduced。驱动基因分析发现DS oRG和vRG中PAX6、TNC、EGFR、FOS富集，而新生ExN中缺乏ROBO2、SLIT1、DCC等迁移相关基因， instead 表达EOMES和PAX等未成熟标志。

Proteomics of the prenatal human DS brain

蛋白质组学发现884个差异蛋白（66.7%上调，33.3%下调）。免疫通路显著激活，包括体液免疫反应、补体激活、白细胞介导免疫、适应性免疫反应、吞噬作用等，驱动因子为补体蛋白（C1QA、CFB）和免疫球蛋白（IGHG1/2、IGHA1、IGHM）。蛋白酶解调控通路富集，蛋白酶（PRSS1、F2/12）、蛋白酶抑制剂（SERPINA3/6/12、SERPINB2、SPINT2、PZP）和泛素相关基因（UBE2G1、USP16、LTN1）上调。

凋亡（CASP1/7/14、ELAPOR1、BCL2）、氧化应激反应（SOD1、SCARA3、PRDX3、TXNDC5/12、GSTP1）相关蛋白上调。DNA修复蛋白（BARD1、PAXX、EEPD1、MSH3、MMS19、MCM5-7、WRNP1）上调，而DAXX、SETMAR、NEIL1、EMSY下调。

突触信号、突触可塑性调控、RNA剪接、染色质组织通路下调，涉及谷氨酸释放（GRM5/7、GRIK2、SLC1A6）、突触小泡运输（AMPH、SCGN、SNAP25、RPH3A）、突触粘附与可塑性（LRRTM2、CNTNAP4、CBLN1、PCDH17、NRCAM）等相关蛋白减少。剪接机制失调包括剪接体成分（CWC15、RNF113A）和调控因子（SRSF4、SRSF6、CELF3/5）。染色质相关改变涉及组蛋白去甲基化酶和转移酶（KDM4A、ASH1L）、多梳群蛋白（BMI1）、高迁移率族蛋白（HMGA1）减少。

蛋白质与转录组一致显示转录后过程失调（如NOVA1、RBM3、EIF1AD、YBX1/3、CNOT2）和m6A RNA修饰（YTHDF2/3）。染色质相关蛋白（DPF3、NUCKS1、WDR70、MACROH2A2）减少。ROBO1和SLIT2蛋白丰度降低，与转录组一致。

Transposable element de-repression in the prenatal human DS brain

染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白修饰改变提示异染色质丢失，可能导致TE异常动员。SoloTE分析显示TE去抑制具有细胞类型特异性：DNA转座子在成熟ExN中富集，逆转录转座子在少突胶质细胞谱系和某些InN中富集。LINE1在DS NPC中特异性激活，免疫荧光显示SOX2⁺细胞中LINE1-ORF1表达增加（p=0.022）。

In situ spatial transcriptomics of a trisomic mouse model of DS

MERFISH对Ts65Dn小鼠（P0和6月龄）分析，鉴定12个主要皮质集群（ExN、InN、星形胶质细胞、OPCs、血管细胞、小胶质细胞、成纤维细胞）和11个脑室下区集群（NSCs、TAPs、ExNB、InNB、室管膜细胞）。细胞比例无显著变化。

差异表达基因在几乎所有细胞类型中发现。P0 trisomic NPC（NSCs、TAPs、ExNB）中WNT通路（Dvl1、Fzd7/8、Lrp5/6、Gsk3b、Dkk3上调；Apc、Fzd5、Rac1、Csnk1a1下调）、SHH通路（Sufu、Gli2/3上调；Nras、Fgfr2下调）、NOTCH通路（Notch1/2/3、Rcan1、Hes1、Tle1/3上调；Tle4、Itch下调）失调。

转录与翻译调控基因（Ep300、Eif4g1）、tRNA合成酶（Wars、Qars、Vars/2）、表观转录组因子（Fto、Ythdc1、Ythdf1、Alkbh5、Igfbp2）表达改变。DNA修复通路基因（双链断裂修复如Rad50、Topbp1、Nbn、Atm；细胞周期检查点如Hus1、Cdkn1c、Ccna2、Ccne2、Trp53；DNA损伤反应如Chek2）改变。

NSC自我更新与维持基因（Vcam1、Rac1、Creb1、Jak1/2、Sirt1、Mapk1、Fgfr2）和星形胶质细胞标志（Fabp7、Slc1a3）下调。Olig2（三体基因）上调。TAPs和NBs中增殖标志（Mki67、Egfr）、核纤层标志（Lmnb1）、迁移标志（Unc5d、Dcx、Satb2、Rac1）下调。6月龄trisomic NPC中成熟星形胶质细胞标志（Gfap、Aqp4）升高。

微环境分析显示P0胼胝体中trisomic OPCs附近小胶质细胞富集，OPCs near星形胶质细胞稀疏。P0和6月龄皮质中OPCs near深层ExN减少，胼胝体和脑室下区少突胶质细胞（OLs） near血管细胞减少。6月龄皮质中星形胶质细胞 near OPCs、OLs、血管细胞、ExN、InN减少。6月龄脑室下区星形胶质细胞 near TAPs增加。LOSO验证了结果稳健性。

Comparisons between human and Ts65Dn datasets

人与小鼠数据集有重叠与 divergent 模式。人NPC中广泛转录后失调（翻译 initiation/elongation、表观转录组、核糖体功能、肽处理），小鼠NPC中也有翻译 machinery（Eif4g1）、表观转录组（Ythdc1）、tRNA合成酶（Qars）失调。DNA修复与细胞周期调控基因（TP53/Trp53、CDKN1B/Cdkn1c）在NPC中改变。

人蛋白质组显示免疫通路激活，小鼠中免疫基因失调相对有限，但6月龄时干扰素GTP酶 Mx1 across multiple cortical cell types 出现。人脑中TE广泛去抑制（LINEs in NPCs and ExN），小鼠中TE去抑制程度较低，但特定TE亚家族在InN、OPCs、小胶质细胞、成纤维细胞中富集。

结论与讨论

本研究通过多组学整合策略，揭示了DS prenatal 神经发育的分子与细胞架构异常。关键发现包括NPC中细胞周期紊乱、翻译机制失调、SLIT-ROBO信号受损、免疫激活、染色质改变和TE去抑制，这些变化可能共同导致皮质发育异常。Ts65Dn小鼠模型验证了神经胶质微环境的空间失调，提示细胞间通信障碍。

研究的重要意义在于提供了首个中孕期DS人脑多尺度图谱，为理解DS神经病理机制提供了新视角。TE去抑制作为新兴标志，可能通过影响基因调控网络 contribute to 神经发育异常和加速衰老。免疫激活的早期出现提示神经炎症可能在 prenatal 阶段就已启动。

局限包括样本量小、时间窗口窄、技术分辨率差异等。未来研究需扩大样本、纵向时间点分析，并探索TE去抑制与细胞衰老的因果关系。此外，Ts65Dn模型与人类DS存在差异，需其他模型（如Ts66Yah）验证。

总之，该资源数据集为DS神经发育异常机制提供了深入见解，并提名了可靶向的分子通路。