探秘 SPOUT1/CENP-32 基因：解锁神经发育障碍与有丝分裂纺锤体关联的密码

为探究与中心体和纺锤体功能相关基因变异引发神经发育障碍的机制，多国研究人员对 SPOUT1/CENP-32 基因展开研究。发现其双等位基因变异致 SpADMiSS，该成果为相关疾病研究提供新思路，值得科研读者一读。

　　

在神秘的生命科学领域，细胞的正常分裂就像一场精密的芭蕾舞表演，每一个环节都至关重要。其中，染色体的正确分离是这场表演的关键动作，它关乎着细胞增殖、组织修复和生物体的生长发育。而这一过程离不开有丝分裂纺锤体（由微管组成的双极结构，在细胞分裂时帮助染色体分离）的精准运作，纺锤体的微管与染色体着丝粒区域形成的动粒相互作用，确保染色体在细胞分裂时能准确无误地被分配到两个子细胞中 。在大多数动物细胞里，中心体作为主要的微管组织中心，对纺锤体的形成起着不可或缺的作用，就如同舞台的指挥家，掌控着整个分裂过程的节奏。

然而，当与中心体和纺锤体功能相关的基因发生致病性变异时，就如同指挥家出错，整个表演就会陷入混乱，从而引发一系列人类疾病。比如，CDK5RAP2、PCNT、WDR62 和 ASPM 等基因的变异，会导致常染色体隐性原发性小头畸形、原发性侏儒症 II 型和 Seckel 综合征等。这些疾病大多会影响大脑发育，患者通常会出现大脑皮层尺寸减小和智力障碍等症状。但目前对于这些疾病的发病机制，科学家们还没有完全弄清楚。

为了深入探索这些谜团，来自世界各地多个研究机构的科研人员展开了合作研究。其中，[第一作者单位] 的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了一篇名为 “RNA methyltransferase SPOUT1/CENP-32 links mitotic spindle organization with the neurodevelopmental disorder SpADMiSS” 的论文。他们发现，SPOUT1/CENP-32 基因的双等位基因变异与一种新的常染色体隐性神经发育障碍 SpADMiSS（SPOUT1 Associated Development delay Microcephaly Seizures Short stature，即 SPOUT1 相关发育迟缓、小头畸形、癫痫和身材矮小）密切相关，并且揭示了该基因在有丝分裂纺锤体组织和大脑发育过程中的重要作用。这一发现就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为相关疾病的研究开辟了新的道路。

在这项研究中，科研人员运用了多种技术方法来揭开谜团。他们通过基因匹配平台，结合外显子 / 基因组测序技术，寻找携带 SPOUT1/CENP-32 基因变异的个体；利用斑马鱼这一模式生物，借助 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建斑马鱼模型，研究基因功能；还运用蛋白质结晶和 X 射线晶体学技术，解析 SPOUT1/CENP-32 蛋白的结构；此外，通过体外甲基转移酶活性测定、细胞转染和免疫荧光等实验，探究基因变异对蛋白功能的影响。这些技术方法相互配合，帮助科研人员一步步深入了解 SPOUT1/CENP-32 基因的奥秘。

下面，让我们一起来看看这项研究的具体成果：

1. 携带 SPOUT1/CENP-32 双等位基因罕见变异个体的特征：科研人员通过全球合作，借助 GeneMatcher 平台，在 21 个不相关的家庭中找到了 28 名携带 SPOUT1/CENP-32 罕见双等位基因变异的个体。这些个体来自不同的种族，有着多样化的遗传背景。研究发现，该基因的变异类型丰富多样，包含 15 种不同的错义变异、1 种移码变异、1 种无义变异和 1 种框内缺失。而且，大多数变异发生在蛋白质中跨物种保守的氨基酸残基上，并且被预测为不耐受变异，很可能是致病的。从临床表现来看，这些个体都存在全球发育迟缓、智力障碍的问题，大部分人还伴有癫痫。他们的身高、体重和头围测量值明显低于平均水平，部分个体还出现了特殊的面部畸形特征。脑电图和脑部 MRI 检查也显示出异常，这表明 SPOUT1/CENP-32 基因变异会导致复杂的神经发育障碍。
2. 斑马鱼 spout1/cenp-32 基因缺失导致神经解剖学缺陷：为了探究 SPOUT1/CENP-32 基因缺失是否是导致上述症状的原因，科研人员利用 CRISPR/Cas9 技术构建了斑马鱼 spout1/cenp-32 基因敲除模型，同时还使用吗啉代寡核苷酸（morpholino，MO）抑制该基因的表达。研究发现，斑马鱼 spout1/cenp-32 基因的表达模式与人类相似，在早期神经发育阶段有着重要作用。斑马鱼模型中，无论是基因敲除还是基因表达抑制，都导致了幼鱼头部尺寸显著减小、身体长度略微缩短，并且幼鱼的活动能力也明显下降。进一步研究发现，斑马鱼的中枢神经系统存在缺陷，视神经顶盖尺寸减小，连合轴突数量减少。这一系列结果表明，spout1/cenp-32 基因的减少会导致神经解剖学上的缺陷。
3. SPOUT1/CENP-32 基因缺失导致体内细胞凋亡增加和细胞周期延长：科研人员推测，斑马鱼头部尺寸减小可能与细胞周期进展改变和细胞死亡有关。通过实验，他们发现斑马鱼 spout1/cenp-32 稳定突变体中细胞死亡明显增加，并且监测细胞周期的标记物 pHH3 阳性细胞数量也显著增多，这意味着细胞周期出现了异常。在小鼠实验中，研究人员采用瞬时敲低策略降低 Spout1/Cenp-32 基因的表达，同样观察到神经细胞中细胞周期进展受到干扰，细胞凋亡增加。这些结果说明，SPOUT1/CENP-32 基因的缺失会影响细胞周期，进而导致细胞凋亡增加。
4. 体内互补实验证实人类 SPOUT1/CENP-32 基因变异具有致病性：为了确定人类 SPOUT1/CENP-32 基因编码变异的致病性，科研人员在斑马鱼体内进行了互补实验。他们将携带人类疾病相关变异的 SPOUT1/CENP-32 mRNA 与斑马鱼 spout1/cenp-32 的 MO 共同注射到斑马鱼胚胎中。结果发现，一些变异（如 p.G98S 或 p.N86D）无法挽救 MO 诱导的头部尺寸表型，而另一些变异（如 p.G244S、p.G293S 等）只能部分挽救。这充分表明，这些人类 SPOUT1/CENP-32 基因变异是致病性的，会影响基因的正常功能。
5. SPOUT1/CENP-32 蛋白结构分析揭示其为活性 RNA 甲基转移酶：科研人员对 SPOUT1/CENP-32 蛋白的结构进行了深入研究，发现该蛋白具有一个 SPOUT 甲基转移酶结构域，并且包含一个插入到催化结构域中的寡核苷酸结合（OB）折叠。通过蛋白质结晶和 X 射线晶体学技术，他们成功解析了蛋白的结构，发现该蛋白能稳定结合甲基转移酶反应的副产物 S - 腺苷同型半胱氨酸（SAH），这强烈表明它是一种活性甲基转移酶。进一步研究还发现，该蛋白通过催化结构域中的螺旋段形成二聚体，这种二聚化对其酶活性至关重要。体外实验也证实了 SPOUT1/CENP-32 对 RNA 具有甲基转移酶活性，并且其活性依赖于与辅因子 S - 腺苷 - L - 甲硫氨酸（SAM）的结合。
6. SPOUT1/CENP-32 的催化活性对维持纺锤体完整性至关重要：科研人员通过实验发现，使用 siRNA 敲低 SPOUT1/CENP-32 基因后，细胞会出现独特的中心体脱离纺锤体极的表型，并且染色体分离错误增加，形成微核的比例上升。而表达野生型 SPOUT1/CENP-32 - GFP 可以显著挽救这些表型，但催化活性变异体（如 A356N）则无法挽救。这表明 SPOUT1/CENP-32 的甲基转移酶活性对于维持纺锤体的完整性至关重要，是确保染色体正确分离的关键因素。
7. SPOUT1/CENP-32 错义变异影响其维持纺锤体完整性的作用：研究人员进一步研究了 SPOUT1/CENP-32 错义变异对其功能的影响。在 U2OS 稳定细胞系中，他们用 siRNA 敲低内源性 SPOUT1/CENP-32 基因，然后分别表达野生型和变异型的 SPOUT1/CENP-32 - GFP。结果显示，患者来源的变异体无法挽救中心体脱离和微核形成的表型，并且对细胞增殖也有显著影响。其中，T353M 变异体的影响最为显著，这表明这些错义变异会损害 SPOUT1/CENP-32 维持纺锤体完整性的功能。
8. 疾病相关的 SPOUT1/CENP-32 错义变异导致甲基转移酶活性降低：科研人员将患者的 SPOUT1/CENP-32 变异映射到蛋白晶体结构上，发现一些变异集中在辅因子结合口袋周围，另一些则位于二聚体界面或 OB 折叠内。通过体外甲基转移酶活性测定，他们发现患者的变异体与野生型相比，Km 值增加，Vmax 值降低，这意味着这些变异会导致 SPOUT1/CENP-32 的甲基转移酶活性降低，进而影响其正常功能。

综合以上研究结果，科研人员得出结论：SPOUT1/CENP-32 基因的双等位基因变异会导致一种新的常染色体隐性神经发育障碍 SpADMiSS。这些变异会降低 SPOUT1/CENP-32 蛋白的 RNA 甲基转移酶活性，引起中心体从纺锤体极脱离和染色体错分离，进而导致神经祖细胞的细胞周期延迟和凋亡增加，最终造成人类的神经发育缺陷。

在讨论部分，研究人员指出，SPOUT1/CENP-32 基因与其他导致 “基于中心体的疾病” 的基因不同，其变异大多为错义或框内变异，且具有降低的催化活性。这一发现丰富了我们对神经发育障碍致病机制的认识。此外，虽然研究揭示了 SPOUT1/CENP-32 在有丝分裂纺锤体组织中的重要作用，但对于其 RNA 甲基转移酶活性如何确保中心体 - 纺锤体极的连接，仍有待进一步研究。未来的研究可以深入探索这一机制，以及评估携带 SPOUT1/CENP-32 相关神经发育障碍的个体是否具有更高的非整倍体和癌症发生风险。

这项研究具有重要的意义，它不仅发现了一种新的神经发育障碍及其致病基因，还为理解有丝分裂纺锤体组织与神经发育之间的关系提供了新的视角。这对于开发针对相关疾病的诊断和治疗方法具有重要的指导价值，有望为这些疾病的患者带来新的希望。