单细胞解析dup15q综合征揭示自闭症谱系障碍的发育与 postnatal分子变化机制

本研究通过单细胞和单核RNA测序技术，结合皮质类器官和死后脑样本，系统揭示了dup15q综合征（15q11.2-q13.1重复）在胎儿期类器官发育中表现为糖酵解增强、层特异性标记紊乱和深部神经元形态异常，而在青少年-成人阶段则呈现上层神经元突触信号通路转录负担加重。研究首次发现该综合征与特发性自闭症（ASD）共享上层神经元分子病理特征，并通过空间转录组验证了细胞类型特异性紊乱。基因共表达网络分析揭示了类器官与死后样本中高度保守的疾病相关模块，提示代谢失调可能导致神经元投射异常、突触功能障碍和神经元过度兴奋，为理解dup15q综合征的发病机制提供了新视角。

　　

研究背景
自闭症谱系障碍（ASD）作为复杂的神经发育疾病，其遗传病因中15q11.2-q13.1重复综合征（dup15q）占比高达3%，成为研究ASD分子机制的理想模型。尽管已知该区域包含UBE3A、GABRB3等关键基因，但重复序列如何导致跨发育阶段的细胞特异性病理变化仍是未解之谜。更关键的是，dup15q与特发性ASD是否存在共同的分子通路，这一问题的答案将直接影响精准治疗策略的开发。

研究设计与技术方法
加州大学旧金山分校的研究团队整合了多组学技术：① 对11例dup15q患者和17例对照的49个死后皮质样本（前额叶、颞叶、前扣带回）进行单核RNA测序（snRNA-seq）；② 利用患者来源诱导多能干细胞（iPSC）构建皮质类器官模型，在50/100/150天分化阶段进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）；③ 采用MERFISH空间转录组技术验证关键发现；④ 通过类器官异种移植和Sholl分析量化神经元形态异常。

主要发现
1. 全面单细胞分子图谱揭示dup15q细胞特异性变化
通过345,861个单核和106,302个类器官细胞的转录组分析，鉴定出17种脑组织细胞类型和11种类器官细胞类型。关键发现包括：

• 15q11.2-q13.1区域基因（如UBE3A、GABRB3）在所有细胞类型中过表达，但61%的差异表达基因（DEG）位于重复区域外
• 深层神经元（L5_6）在类器官中显示BLC11B等标记基因表达降低，伴随上层神经元标记SATB2异常表达（+300%，p<0.0001）

2. 代谢重编程导致神经元身份紊乱
伪时序分析显示dup15q深层神经元谱系存在显著代谢异常：

• 放射状胶质细胞向神经元分化时，糖酵解基因持续高表达（p=2.47×10^-7）
• 三羧酸循环（TCA）基因表达受阻，伴随氧化磷酸化（OXPHOS）活性降低
• 类器官中深层神经元显示树突复杂性降低（Sholl AUC减少27%，p=0.0001）

3. 与特发性ASD的分子趋同
上层神经元（L2_3）在dup15q和特发性ASD间显示显著转录相关性（r=0.91）：

• 24个共享DEG中23个表达趋势一致，包括SLITRK5（突触粘附）、CNTNAP2（树突形态）
• MAPK1、NFIA等MAPK/ERK通路基因上调，该通路异常与Rasopathy类发育障碍相关

4. 皮质区域特异性变异
前额叶皮质（PFC）包含55.5%的区域特异性DEG，包括：

• 颞叶皮质中突触形成基因NLGN1下调
• 前扣带回中ASD风险基因AUTS2异常上调

5. 保守的基因共表达模块
加权基因共表达网络分析（hdWGCNA）发现：

• L5_6.2模块（糖酵解相关）在类器官和脑组织中高度保守（Z_summary>10）
• L5_6.7模块（突触组织）包含NRXN1、GRM5等兴奋性调节基因

结论与意义
该研究首次绘制了dup15q综合征跨发育阶段的细胞分子图谱，揭示代谢异常（糖酵解-TCA解偶联）是早期关键病理特征，而突触信号紊乱是后期核心表型。特别重要的是，发现上层神经元分子变化与特发性ASD高度重叠，为ASD亚型分类提供了生物学依据。空间转录组验证了细胞类型特异性变化，而类器官模型成功复现了死后组织的关键特征，证实了该模型在神经发育疾病研究中的可靠性。这些发现为开发针对代谢异常和突触功能障碍的干预策略指明了新方向。