杂合SMG1突变通过无义介导的mRNA降解通路影响人多能干细胞模型的神经发育

本研究针对一例携带SMG1 p.Gln2398Glu突变的神经发育障碍患儿，通过基因编辑技术构建人胚胎干细胞模型，结合类器官培养与多组学分析，揭示杂合SMG1突变通过影响无义介导的mRNA降解（NMD）通路导致皮层类器官生长迟滞的分子机制。研究发现仅导致剪接异常的GAA/+突变会显著降低NMD活性并影响神经前体细胞增殖，而患者携带的GAG/+突变则未表现出显著功能影响，为临床变异解读提供了重要实验依据。

　　

在遗传性神经发育障碍的研究中，SMG1基因作为无义介导mRNA降解（Nonsense-Mediated mRNA Decay, NMD）通路的核心激酶一直备受关注。NMD是细胞内重要的RNA质量监控机制，能够识别并降解含有提前终止密码子（Premature Termination Codon, PTC）的异常转录本，防止截短蛋白的产生。既往研究表明，SMG1通过磷酸化UPF1等关键蛋白调控NMD过程，其完全缺失会导致小鼠胚胎致死。然而，杂合突变对人类神经系统的具体影响尚不明确。临床发现一例携带SMG1 p.Gln2398Glu（c.7192C>G）新生突变的患儿表现出全面发育迟缓、面部畸形和眼球运动失用等症状，这些表型与SMG8/SMG9缺陷患者相似，但该突变是否足以致病仍需实验验证。

为解决这一科学问题，研究人员采用prime editing（新型基因编辑技术）在H9人胚胎干细胞系中精确引入患者突变（GAG/+），同时构建了导致剪接异常的GAA/+突变和敲除型（KO/+）对照模型。通过流式细胞术检测NMD报告系统活性，结合Western blot分析UPF1磷酸化水平，发现GAA/+和KO/+细胞均表现出NMD功能下降，而GAG/+突变则无显著影响。转录组分析进一步揭示GAA/+细胞中有2,553个基因表达异常，包括UPF3B等NMD通路成分，且与SMG8/9突变患者的成纤维细胞基因谱存在43个重叠基因。

在皮层类器官（hCO）模型中，GAA/+组表现出明显的体积减小，免疫荧光显示其神经玫瑰花结结构中Ki67⁺
增殖细胞减少而cleaved-caspase 3⁺
凋亡细胞增加。这些发现首次证明NMD活性降低可通过影响神经前体细胞动态平衡导致类器官发育迟滞，为理解SMG1相关神经发育障碍提供了三维模型支持。

关键技术方法包括：1）使用prime editing构建SMG1突变干细胞系；2）基于荧光报告系统和磷酸化检测评估NMD活性；3）RNA-seq分析差异表达基因和差异转录本使用；4）建立皮层类器官模型进行表型验证。样本来源于基因编辑的H9人胚胎干细胞及其衍生类器官。

主要研究结果：

1. 患者突变信息：通过外显子组测序鉴定出SMG1 p.Q2398E突变，蛋白结构预测显示该位点邻近InsP6结合口袋。
2. 干细胞模型建立：成功构建GAG/+（患者突变）、GAA/+（剪接异常）和KO/+（敲除）三种杂合突变模型，证实GAA/+会导致外显子44跳跃和mRNA表达下降。
3. NMD功能评估：GAA/+和KO/+细胞的NMD活性降低至对照的85%，UPF1-S1096磷酸化水平显著下降，而GAG/+组无变化。
4. 转录组特征：GAA/+细胞中tRNA加工通路异常，与SMG8/9突变共享43个差异基因，包括内核膜相关基因。
5. 类器官表型：GAA/+ hCO在培养60天后体积较对照组减小30%，伴随神经前体细胞增殖减少和凋亡增加。

讨论部分指出，虽然患者携带的GAG/+突变未表现出显著功能影响，但研究首次证实NMD活性降低与神经发育缺陷的直接关联。类器官模型中观察到的生长迟滞与临床微头畸形表型相符，提示SMG1单倍剂量不足可能通过扰乱神经前体细胞增殖/凋亡平衡导致病理改变。值得注意的是，GAA/+突变引发的剪接异常模拟了自然突变谱，为未来研究提供了更接近真实病理的模型。该成果不仅为SMG1变异临床解读提供实验依据，还揭示了NMD通路在神经发育中的新机制，相关发现发表于《Molecules and Cells》。