染色质重塑因子BAF155协调少突胶质前体细胞-神经元通讯调控区域性髓鞘形成及小鼠自闭症样行为缺陷

《Nature Communications》：Chromatin remodeling factor BAF155 coordinates oligodendroglial-neuronal communications linked to regional myelination and autism-like behavioral deficits in mice

本研究聚焦自闭症谱系障碍（ASD）的发病机制，揭示了染色质重塑因子BAF155通过调控少突胶质前体细胞（OPC）中突触相关基因的表达，协调OPC-神经元间突触连接，影响区域性髓鞘形成，从而引发ASD样行为表型。该研究为理解ASD的病理生理机制提供了新视角，提示OPC导向的干预策略或具治疗潜力。

　　

在大脑这座精密的生物机器中，神经元之间的高效通信是支撑一切高级认知功能的基础。而确保这种通信高速、保真的关键“绝缘材料”，便是包裹在神经元轴突外的髓鞘。近年来，科学家们逐渐认识到，髓鞘的异常与多种神经精神疾病，包括自闭症谱系障碍（ASD）密切相关。ASD是一种高度遗传性的神经发育障碍，其核心特征包括社交互动障碍、语言交流困难以及重复刻板的行为模式。长期以来，科学界将ASD的病因主要归咎于神经元自身及其突触连接的异常，即所谓的“突触缺陷假说”。然而，大脑中另一大类细胞——胶质细胞，特别是负责产生髓鞘的少突胶质细胞及其前体细胞（Oligodendrocyte Precursor Cells, OPCs）的作用，在ASD中的作用却长期被忽视。

OPCs是一类具有持续增殖和分化能力的胶质细胞，它们是成年大脑中少突胶质细胞的主要来源。有趣的是，OPCs是中枢神经系统中唯一能与神经元形成直接突触连接的胶质细胞。这些特殊的“OPC-神经元突触”使得OPCs能够像神经元一样，“聆听”来自神经网络的电活动指令，并根据这些指令调整自己的行为，例如迁移、增殖、分化和最终形成髓鞘。这种细胞间的“对话”对于大脑的正常发育和功能至关重要。然而，在ASD这样的复杂疾病中，OPCs是如何感知神经元信号、其内在的调控机制是什么、以及OPC-神经元通讯的异常如何最终导致行为缺陷，这一系列关键问题至今悬而未决。

为了解决这些谜题，一项发表在《Nature Communications》杂志上的最新研究将目光投向了表观遗传调控领域。研究人员关注了一个名为BAF155的蛋白质，它是BAF（BRG1/BRM-associated factor）染色质重塑复合体的一个核心支架亚基。BAF复合体像细胞的“基因组建筑师”，通过改变DNA-蛋白质（染色质）的结构状态来调控基因的“开”与“关”。此前的研究已发现一些染色质重塑因子与ASD有关，但BAF155在OPC发育及ASD中的作用仍属未知。

为了探究BAF155的功能，研究团队首先构建了条件性基因敲除小鼠模型，特异性地在OPC中敲除Bafl55基因（在小鼠中基因名为Smarccl）。他们发现，缺失BAF155会导致小鼠大脑中出现显著的髓鞘形成不足（低髓鞘化），尤其是在与ASD相关的脑区，如内侧前额叶皮层（mPFC）。进一步的电镜分析显示，敲除小鼠轴突外的髓鞘厚度明显变薄。更有趣的是，这些小鼠表现出了一系列类似ASD的行为特征：在社交偏好测试中，它们对陌生小鼠的兴趣降低；在自我理毛测试中，重复刻板行为增多；在高架十字迷宫和旷场实验中，则表现出焦虑样行为。然而，它们的记忆能力和抑郁样行为并未受影响。这些结果表明，OPC中BAF155的缺失足以引发区域特异性的髓鞘形成缺陷和ASD核心行为表型。

那么，BAF155究竟是如何发挥作用的呢？研究人员通过染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）等技术深入挖掘了其分子机制。结果发现，在OPC分化的早期阶段（即定向OPC阶段），BAF155会大量结合在众多突触相关基因的调控区域。基因本体（GO）分析显示，这些基因显著富集在突触组装和功能相关通路上。特别值得注意的是，在与已知ASD易感基因的交集分析中，研究人员发现了198个既是BAF155的靶点，又与突触功能相关的基因，其中包括γ-氨基丁酸A型受体亚基γ3（Gabrg3）、活性依赖神经保护蛋白（Adnp）和核因子I A（Nfia）等。其中，Gabrg3作为最重要的突触相关ASD易感基因，在BAF155缺失的OPC中表达显著下调。这些发现将染色质重塑、突触基因调控和ASD易感性巧妙地联系在了一起。

接下来，研究证实了BAF155对OPC-神经元突触连接的功能性影响。通过超高分辨率荧光显微镜和免疫金标电镜，他们观察到BAF155缺失后，OPC细胞体周围与神经元形成的突触结构数量减少，特别是兴奋性突触后标志物Homer1和抑制性突触后标志物Gephyrin的阳性点簇，以及谷氨酸能（vGLUT1阳性）和GABA能（vGAT阳性）突触前元件的数量均显著下降。突触后密度的长度也明显变短。这些结构上的缺陷直接导致了功能的异常：钙成像技术记录到，缺失BAF155的OPC其细胞内钙信号活动模式发生改变，具有振荡性和平台状特征的钙瞬变减少，而“平坦”无变化的钙信号成为主导。全细胞膜片钳记录进一步发现，OPC中由AMPA受体和NMDA受体介导的兴奋性突触后电流的比率（AMPA/NMDA比率）有降低的趋势，这提示OPC与神经元之间的突触通讯成熟度受损。所有这些证据共同表明，BAF155是维持OPC-神经元功能性突触连接所必需的。

研究的另一个重要发现是OPC对神经元输入的反应具有脑区异质性。通过比较来自mPFC和海马的OPC，研究人员发现BAF155对其靶基因（如Gabrg3, Adnp, Nfia）的染色质可及性和结合程度在海马OPC中更强，这些基因的表达水平也更高。RNA测序分析显示，敲除BAF155后，mPFC和海马OPC中差异表达的基因集合既有重叠，又各有独特之处。例如，早期生长反应1（Egr1）、雌激素受体1（Esr1）和多巴胺D1受体（Drd1）在两个脑区均上调；而负责谷氨酸装载入突触囊泡的溶质载体家族17成员7（Slc17a7/VGLUT1）和神经元分化1（Neurod1）则特异地在mPFC的OPC中下调。当用不同的神经递质（GABA或谷氨酸）刺激OPC时，它们所激活的基因表达谱也大相径庭。例如，与少突胶质细胞发育和髓鞘形成相关的α-突触核蛋白（Snca）对GABA刺激有反应，而胰岛素样生长因子结合蛋白5（Igfbp5）、血管内皮生长因子A（Vegfa）等则对谷氨酸刺激有反应。这种异质性说明，不同脑区的OPC可能通过BAF155解码来自局部神经环路的独特“活动密码”，从而实现与所在脑区功能相匹配的髓鞘化模式。当BAF155缺失时，这种精确的解码能力受损，导致OPC无法正确响应神经元活动指令，最终引发区域特异性的髓鞘形成和行为异常。

本研究主要应用了条件性基因敲除小鼠模型、免疫组织化学/荧光染色、电子显微镜、行为学测试、染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）、RNA测序（RNA-seq）、钙成像、全细胞膜片钳记录、免疫金标电镜、ATAC-qPCR（检测染色质可及性）以及原代OPC分离培养等技术。小鼠脑组织样本来源于实验动物。

结果部分

BAF155在中枢神经系统中调控少突胶质细胞分化和髓鞘形成

研究人员发现BAF155在定向少突胶质前体细胞（Committed OPCs）中高表达。通过在OPC中特异性敲除Bafl55，他们发现这导致了持久的少突胶质细胞分化和髓鞘形成缺陷，表现为成熟少突胶质细胞标志物CC1和髓鞘碱性蛋白（MBP）阳性区域减少，电镜下的G-ratio值增高（髓鞘变薄）。特别值得注意的是，包裹在表达小清蛋白（PV）的中间神经元轴突上的髓鞘显著减少，而SMI32阳性的轴突未受影响。这些缺陷并非由于OPC数量或增殖能力改变所致，表明BAF155主要作用于OPC分化的早期阶段。

OPC中BAF155的缺失诱导ASD样表型

电生理记录发现，在BAF155敲除小鼠的mPFC和海马CA1区锥体神经元中，自发兴奋性突触后电流（sEPSC）和自发抑制性突触后电流（sIPSC）的频率显著降低，而微小突触后电流（mEPSC/mIPSC）无变化，提示动作电位依赖的突触传递受损。行为学测试显示，敲除小鼠表现出社交偏好受损、重复性自我理毛行为增加、焦虑样行为，但记忆和抑郁样行为正常，成功模拟了ASD的核心行为特征。

BAF155缺失损害OPC分化和髓鞘形成

研究证实BAF155缺失导致的髓鞘形成不足在多个ASD相关脑区（如mPFC、海马、胼胝体等）均有出现，其中mPFC受影响最显著。在溶磷脂酰胆碱诱导的脱髓鞘模型中，BAF155缺失同样损害了髓鞘的再生。有趣的是，在体外培养的OPC中敲除BAF155并不影响其分化为MBP阳性细胞的能力，暗示BAF155的作用可能依赖于神经元提供的非细胞自主性信号。而在成熟少突胶质细胞中敲除BAF155则未引起明显表型，进一步证实其功能主要限于OPC发育早期。

BAF155在定向OPC中靶向多个突触基因

ChIP-seq分析揭示，在OPC分化早期，BAF155结合在3219个基因的调控区域，这些基因显著富集于突触相关功能。与ASD易感基因数据库交叉分析，鉴定出198个突触相关且受BAF155调控的基因，其中17个是已知的ASD易感基因，Gabrg3、Adnp和Nfia是其中的关键代表。BAF155在这些基因启动子/增强子区域的结合与活跃的组蛋白标记H3K27Ac共定位。

BAF155为OPC-神经元突触连接所必需

在分子和结构层面，BAF155缺失导致OPC中Gabrg3等突触基因表达下调，OPC表面的GABRG3蛋白减少，与之相关的兴奋性和抑制性突触后、突触前元件数量均下降，突触后密度变短。功能上，OPC的钙信号活动模式异常，振荡性和平台状钙瞬变减少，AMPA/NMDA电流比率呈下降趋势，表明OPC-神经元间的突触通讯功能受损。

BAF155调节不同脑区OPC对神经元输入的异质性反应

研究发现BAF155的染色质调控作用存在脑区差异。在海马OPC中，BAF155对其靶基因（Gabrg3, Adnp, Nfia）的染色质可及性和结合强度均高于mPFC OPＣ，相应基因的表达水平也更高。敲除BAF155后，mPFC和海马OPC的差异表达基因谱既有重叠（如Egr1, Esr1, Drd1上调），又各有特异性（如mPFC OPC中Slc17a7/VGLUT1和Neurod1下调）。对不同神经递质（GABA vs. 谷氨酸）的反应，以及不同脑区OPC对同一种递质（GABA）的反应，均表现出显著的基因表达异质性，揭示了OPC响应神经元活动的复杂性和区域性特征。

结论与意义

本研究首次阐明了染色质重塑因子BAF155在协调OPC-神经元通讯中的核心作用。BAF155通过调控OPC中一组关键的突触相关基因和ASD易感基因的表达，确保OPC能够正确形成并维持与神经元的突触连接。这种连接是OPC感知神经元活动、进而适时适地分化和形成髓鞘的前提。当BAF155功能失常时，OPC-神经元对话被破坏，导致区域特异性的髓鞘形成缺陷和神经元网络活动异常，最终引发ASD样行为表型。这项研究不仅将表观遗传调控、突触功能、髓鞘形成和ASD病理生理有机地联系起来，揭示了OPC在ASD中的新角色，还强调了大脑中不同区域的OPC存在功能异质性，它们对神经元输入的解读具有“地域特色”。这为理解ASD临床表现的多样性提供了新的解释框架，并为开发针对胶质细胞的干预策略治疗ASD等神经发育障碍提供了重要的理论依据和潜在的分子靶点。