AJHG：人类神经发育疾病驱动基因表达可变性增加

　　

在许多神经发育疾病中，个体间表型外显率和严重程度存在差异，但其潜在机制尚未完全明确。以三体 21（T21）为例，它是最常见的导致智力障碍的遗传因素，全球约 600 万人患病 。T21 患者存在一系列核心的神经和非神经表型，还可能伴有 80 多种疾病，但这些表型的不完全外显和严重程度变化令人费解。

以往研究认为 T21 表型变异往往归因于 21 号染色体内外的等位基因差异和环境因素，然而，酵母研究发现非整倍体自身就足以增加非遗传表型可变性，但该假说在复杂多细胞系统中未得到充分研究。同时，虽然分子表达可变性在发育、衰老和癌症中有重要作用，但在神经发育疾病中的研究几乎空白。

近日，Broad研究所的研究人员发现，人类神经发育疾病会驱动脑细胞中的基因表达可变性增加，还有可能导致不同的表型结果。这项研究成果于3月7日发表在《美国人类遗传学杂志》（AJHG）上，对深入了解基因型与表型的关系至关重要。

材料和方法

将人类诱导多能干细胞（iPSC）诱导分化为神经祖细胞（NPC），并在特定条件下培养，定期检测支原体污染，通过 G 显带核型分析确认染色体数目。对 NPC 进行单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）分析，并对多个已发表的单细胞 RNA 测序数据集进行重新分析。利用 Seurat v.5 等工具进行数据处理，并通过多种方法评估基因表达可变性。

研究结果

T21 驱动人类 NPC 基因表达可变性增加：研究人员对来源于 iPSC 的 NPC 进行分析，发现 T21 的 NPC 相较于整倍体对照，在多个细胞簇中基因表达可变性显著增加。通过基因水平分析，发现高可变性基因（HVG）与神经细胞类型和发育相关，低可变性基因（LVG）则与非细胞类型特异性功能相关。此外，T21 HVG 中的基因间相关性强度降低，表明存在内在可变性，且部分基因呈现双峰分布模式，这与表型可变性有关。

在独立人类 NPC 数据集验证 T21 驱动的基因表达可变性：分析另一个独立的人类 NPC 数据集（Qiu 等人），再次证实 T21 可导致基因表达可变性增加。GO 分析显示，HVG 和 LVG 在不同功能类别上富集，且与之前研究结果相似，LVG 受到更强的遗传约束。不同 NPC 数据集之间，LVG 重叠较多，而 HVG 仅有部分重叠。

T21 驱动人类脑组织基因表达可变性增加：利用已发表的脑组织 snRNA-seq 数据进行分析，结果表明 T21 的人类脑组织中，多数细胞属于可变性增加的细胞簇，主要涉及到胶质细胞类型。GO 分析和约束分析结果与之前在 NPC 中的发现一致，进一步支持了 T21 可导致人类神经细胞基因表达可变性增加的结论。

CHD8 单倍剂量不足驱动人类脑类器官基因表达可变性增加：分析人类 iPSC 来源的脑类器官模型的 scRNA-seq 数据集，发现与自闭症相关的染色质重塑因子 CHD8 单倍剂量不足可导致基因表达可变性增加，且这种增加在不同时间点和不同细胞类型中均有体现。GO 分析显示，HVG 和 LVG 分别与神经细胞类型特异性和非特异性功能相关。不同 CHD8 突变的脑类器官数据集之间，LVG 重叠较多，HVG 部分重叠。

基因表达可变性的分子基础：综合分析多个数据集，研究人员发现 LVG 与活跃的组蛋白标记（如 H3K27ac 和 H3K4me3）相关，而 HVG 在低表达阈值下与抑制性标记 H3K27me3 有适度关联。在转录因子结合基序方面，LVG 有多个特异性且一致富集的基序，而 HVG 未发现特异性的转录因子特征。

讨论

本研究首次证实了 T21 和 CHD8 单倍剂量不足可导致人类大脑相关细胞和组织类型中基因表达可变性增加。这一发现挑战了传统疾病建模研究中的一些假设，强调了在研究中考虑生物可变性的重要性。研究还指出，基因表达可变性的潜在机制包括转录保真度受影响、转录后过程以及染色质结构变化等，但仍需进一步研究确定。

此外，探究基因表达可变性如何转化为蛋白质可变性以及对特定细胞表型的影响，也是未来研究的重要方向。未来研究还需解决诸如不同物种、器官系统和发育阶段中可变性的差异，可变细胞状态的遗传性，以及在其他组学层面量化细胞间可变性等问题。这些研究将有助于深入理解神经发育疾病的发病机制，为开发更有效的治疗策略提供理论依据。