首次在细胞层面解释可能终身影响大脑发育的一个基因突变

为什么大脑细胞支架中一个微小的缺陷就能终生影响大脑的大小。

　　

大脑细胞支架的微小缺陷可以终生影响大脑的大小。

为什么有些儿童的大脑发育会比预期小（小头畸形）？来自德国灵长类动物中心——莱布尼茨灵长类动物研究所 (DPZ)、汉诺威医学院 (MHH) 和马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所的国际科学家团队利用人脑类器官研究了这个问题。这些实验室培养的模型使研究人员能够研究细胞内关键结构蛋白的变化如何扰乱早期大脑发育并导致这种严重的疾病（EMBO Reports）。

研究人员发现，肌动蛋白基因的突变会干扰早期脑祖细胞的分裂。当这些细胞无法正常分裂时，其数量就会减少。这种细胞短缺会限制大脑的整体发育，导致大脑体积缩小。“我们的发现首次从细胞层面解释了罕见的巴雷特-温特综合征患者的小头畸形，”该研究的第一作者、汉诺威医学院的研究员英德拉·尼豪斯（Indra Niehaus）说道。

细胞内部支持系统如何影响大脑发育

肌动蛋白是细胞骨架的核心组成部分，细胞骨架构成细胞内部的结构框架，并帮助细胞内物质运输。患有巴雷特-温特综合征的人携带两个关键肌动蛋白基因之一的突变。为了研究这些突变的影响，科学家们将受影响患者的皮肤细胞重编程为诱导多能干细胞。然后，他们利用这些细胞培养出三维脑类器官，这些类器官能够重现早期人类大脑发育的关键阶段。

患者来源的类器官与健康供体来源的类器官之间的差异在30天后变得明显。携带肌动蛋白突变的类器官体积大约缩小了25%。类器官内部的脑室样区域（其中包含祖细胞并分化为早期神经细胞）也明显缩小。

关键脑细胞数量减少

研究团队分析类器官内部的细胞类型时，观察到细胞群发生了明显变化。在形成大脑皮层中起核心作用的顶端祖细胞数量显著减少。与此同时，基底祖细胞的数量却有所增加。这些细胞通常在发育后期产生，这表明正常的发育时间线已被打乱。

这种不平衡表明祖细胞的分裂和自我更新方式存在问题。

当细胞分裂方向改变时

研究人员利用高分辨率显微镜，仔细观察了顶端祖细胞的分裂过程。在正常情况下，这些细胞主要以垂直于心室区的方向分裂。这种方向使得细胞成分能够均匀分布，并产生两个新的顶端祖细胞。

在肌动蛋白突变的类器官中，这一过程发生了改变。垂直分裂变得极少，而水平分裂和倾斜分裂则更为频繁。由于这种转变，顶端祖细胞的自我更新能力下降。许多顶端祖细胞脱离室管膜区，转而分化为基底祖细胞。

“我们的分析非常清楚地表明，祖细胞分裂方向的改变是导致脑容量减少的决定性触发因素，”德国灵长类动物中心的研究组组长、该研究的最后一位作者Michael Heide说。“细胞骨架的单一变化就足以扰乱早期大脑发育的进程。”

微小的结构性改变，却能产生巨大的影响

电子显微镜显示心室表面存在其他异常。细胞形状不规则，相邻细胞之间出现额外的突起。研究人员还在细胞连接处发现微管蛋白含量异常升高。微管蛋白是另一种细胞骨架蛋白，在细胞分裂中发挥重要作用。

虽然细胞的整体结构保持完整，但这些细微的变化可能足以永久性地干扰细胞在分裂过程中的定向方式。

确认遗传原因

为了确保观察到的差异并非由无关的遗传因素引起，研究团队进行了一项关键的对照实验。他们利用 CRISPR/Cas9 技术，将巴雷特-温特综合征患者体内发现的相同肌动蛋白突变导入健康的干细胞系中。由这些编辑后的细胞培养的脑类器官出现了与患者来源的类器官相同的缺陷，证实了该突变本身是造成这些缺陷的原因。

这些发现对医学意味着什么

研究结果为罕见基因突变如何导致复杂的脑畸形提供了新的见解，并展示了脑类器官在生物医学研究中的强大作用。“我们的发现有助于我们理解罕见遗传疾病如何导致复杂的脑畸形，并凸显了脑类器官在生物医学研究中的巨大潜力，”Michael Heide说道。

“这项研究的治疗潜力在于诊断，因为我们的数据有助于更好地对患者的基因检测结果进行分类。由于这种疾病影响早期胎儿发育过程，因此对人类的干预将十分复杂。然而，从长远来看，影响肌动蛋白和微管相互作用的新药可能会开辟新的治疗方法，”汉诺威医学院人类遗传学研究所所长Nataliya Di Donato说道。