FOXG1驱动转录程序调控端脑GABA能神经元命运选择的转录组学机制

本研究针对端脑GABA能神经元亚型命运决定机制不明的关键问题，通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)结合条件性基因敲除技术，揭示了转录因子FOXG1通过调控MGE和dLGE/CGE谱系中40个共同分子决定因子，主导神经元从苍白球向皮层/嗅球命运的转化。研究发现FOXG1缺失导致LHX6high皮质中间神经元(CINs)转向纹状体中间神经元(SINs)和苍白球原型神经元命运，ID3high嗅球中间神经元(OBINs)转向苍白球弓状神经元命运，为神经精神疾病发病机制提供了新见解。该成果发表于《Nature Communications》，为理解GABA能神经元相关疾病如自闭症谱系障碍(ASD)、精神分裂症等提供了重要理论基础。

　　

大脑功能的精密调控离不开两类关键GABA能神经元：源自端脑腹侧隆起(GE)的皮层/嗅球中间神经元（苍白球来源）和纹状体/杏仁核神经元（皮层下结构来源）。这两大群体在胚胎发育过程中如何决定各自命运，一直是神经科学领域的核心谜题。既往研究虽然发现NKX2-1、LHX6等转录因子调控特定亚型，但决定苍白球与皮层下命运选择的普适机制仍属未知，这极大限制了对GABA能神经元相关疾病（如癫痫、ASD和精神分裂症）发病机制的理解。

东南大学的研究团队在《Nature Communications》发表的重要研究，通过整合单细胞转录组测序(scRNA-seq)、CUT&Tag染色质分析和子宫内电穿孔(IUE)等技术，系统揭示了FOXG1转录因子作为命运选择的"总开关"，通过调控保守的分子网络决定GABA能神经元发育轨迹的机制。研究发现FOXG1表达水平差异（苍白球命运需要高表达，皮层下命运需要低表达）通过40个共同靶基因（包括TCF4、ST18等19个直接靶点）协调不同谱系的命运决定，为神经精神疾病的干预提供了新靶点。

关键技术包括：1）使用Dlx5/6-Cre条件性敲除Foxg1小鼠模型；2）E16.5胚胎GE区域单细胞转录组测序；3）RNA速率分析和URD轨迹重建算法；4）FOXG1靶基因的CUT&Tag鉴定；5）关键基因（如Sox4、Hmgb1）的子宫内电穿孔功能验证。

结果部分揭示：

条件性敲除Foxg1驱动GABA能神经元向皮层下命运转化
通过Dlx5/6-Cre介导的Foxg1敲除导致E16.5胚胎中EGFP标记的GABA能神经元在皮层/嗅球区域显著减少，而在纹状体等皮层下结构异常聚集。单细胞测序证实Foxg1缺失使MGE来源的LHX6^highCINs减少67%，同时SINs增加2.3倍；dLGE/CGE来源的ID3^highOBINs减少81%，而杏仁核神经元增加3.1倍。

LHX6^highCINs在Foxg1 cKO中转向皮层下轨迹始于前体阶段
RNA速率分析显示，对照组MGE谱系存在LHX6^highCINs、SINs和GP原型神经元三条分支，而敲除组LHX6^highCINs轨迹明显转向皮层下分支。免疫荧光显示Foxg1缺失导致LHX6⁺NKX2-1⁺神经元比例从对照组的28%增至73%，证实命运转化。

FOXG1驱动的转录程序决定MGE谱系命运选择
通过对比4729个差异基因，鉴定出83个苍白球命运特异性基因（如Cux2）、158个皮层下命运基因（如Prox1）和107个共享基因。NMF分析发现86%的调控模块（含Tcf4、Zeb2等）受FOXG1调控，其中Sox4过表达使苍白球mCherry⁺LHX6⁺神经元增加3.2倍。

ID3^highOBINs与SP8^highOBINs/PROX1^highCINs分别转向不同皮层下命运
dLGE/CGE谱系分为FOXP2^highSP8^low（产生OBINs）和FOXP2^lowSP8^high（产生CINs）两个谱系。Foxg1缺失使ID3^highOBINs转向GP弓状神经元，而SP8^highOBINs/PROX1^highCINs转向杏仁核神经元，Hmgb1过表达可逆转这一现象。

鉴定调控苍白球与皮层下命运的40个共同分子决定因子
跨谱系分析发现St18、Nfix等40个FOXG1调控基因，其中32个是ASD等疾病的风险基因。TCF4恢复实验证实其能挽救Foxg1 cKO皮层中PROX1⁺CINs数量（增加4.8倍），荧光素酶报告基因显示FOXG1直接激活Tcf4启动子活性达3.7倍。

这项研究不仅揭示了GABA能神经元命运决定的统一调控框架，更发现FOXG1及其下游网络（如TCF4、ERBB4）的异常与多种神经精神疾病密切相关。特别值得注意的是，40个共同决定因子中80%与人类疾病相关，为理解FOXG1综合征（表现为ASD、癫痫等症状）提供了分子解释。该研究建立的单细胞命运图谱和调控网络，将为基于细胞特异性干预的神经疾病治疗策略开辟新途径。