人类神经干细胞早期发育起源的皮质障碍模型揭示神经发育疾病的关键脆弱期

这项研究通过整合人类神经干细胞(hNSCs)体外模型和跨物种发育脑数据集，揭示了皮质障碍和神经精神疾病相关基因在端脑发育早期的表达动态。研究人员发现不同疾病存在特定的"关键脆弱期"，并构建了疾病特异性基因调控网络，同时利用自闭症(ASD)患者来源的干细胞模型发现前脑模式形成和神经干细胞命运决定的转录因子(TFs)存在反复表达异常。该研究为理解神经发育障碍的早期起源提供了新视角。

　　

在神经发育领域，一个长期困扰科学家的问题是：为什么许多被认为主要影响神经元功能的皮质障碍和神经精神疾病，其风险基因却在神经干细胞(NSCs)阶段就已活跃表达？这一现象暗示我们可能低估了神经发育障碍的起源时间。传统观点认为这类疾病主要源于妊娠晚期或出生后的神经元功能障碍，但越来越多的证据表明，更早期的神经发育事件——如前脑模式形成和神经干细胞命运决定——可能在疾病发生中扮演关键角色。

耶鲁大学医学院(Yale School of Medicine)的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们通过整合人类神经干细胞(hNSCs)体外分化模型、灵长类发育脑单细胞数据和患者来源的干细胞模型，系统描绘了皮质障碍相关基因在端脑发育早期的表达图谱，揭示了不同疾病特异的"关键脆弱期"，并发现自闭症患者神经干细胞中存在前脑模式形成因子的反复表达异常。

研究采用了多项关键技术：1)整合人类神经干细胞体外分化模型的批量RNA测序和单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据；2)运用GWCoGAPS(基因组范围协调基因活性模式集)分析基因表达模式；3)通过RcisTarget构建基因调控网络；4)利用CellOracle进行基因敲除模拟；5)分析3例特发性自闭症患者和3例对照的iPSC来源神经干细胞单细胞转录组；6)结合恒河猴发育脑RNAscope验证关键基因表达模式。

研究结果部分：

"Enrichment of cortical disorder risk gene expression in human telencephalic cells"部分显示，通过分析人类第一孕期端脑单细胞数据，发现大多数皮质障碍和神经发育障碍(NDDs)的风险基因在放射状胶质细胞(RG)中表达，且不同疾病基因集在特定神经细胞类型中富集。例如，小头畸形(MIC)相关基因在中间前体细胞(IPCs)中富集，而阿尔茨海默病(AD)基因在免疫细胞中富集。

"Expression dynamics of risk genes across mammalian neuro-genesis in vivo"部分利用小鼠数据证明风险基因在RG细胞分化过程中的动态变化。早期疾病如MIC和脑积水(HC)相关基因主要在RG细胞中高表达，而后期疾病如ASD和脑回畸形(LIS)相关基因则在神经元分化阶段更活跃。

"Disease risk genes expressed in telencephalic organizers"部分发现许多风险基因在脑组织中心(如皮质缘和腹侧前脑组织中心)表达，并通过恒河猴胚胎RNAscope验证了这些基因的时空表达模式。例如，ADHD相关的DUSP6和ASD相关的GALNT14分别在前腹侧和背侧端脑区域表达。

"Disease gene networks throughout human NSC progression in vitro"部分通过调控网络分析鉴定出31个疾病相关调控子(regulons)，涉及29个核心转录因子(TFs)。这些调控子显示出疾病特异的时序激活模式，如KLF转录因子家族成员在神经发生晚期阶段形成高度连接的调控枢纽。

"Individual-specific critical phases in ASD patient-derived NSCs"部分发现自闭症患者来源的神经干细胞中，前脑模式形成关键调控因子(如FOXG1、MEIS2)和神经干细胞命运决定因子(如POU3F2、LHX2)存在反复表达异常。这些异常在不同患者间表现出个体特异性，但都指向早期端脑模式形成的紊乱。

研究结论指出，这项工作建立了神经发育障碍研究的"关键脆弱期"框架，证明不同皮质障碍有其特定的发育窗口期，此时神经干细胞对基因功能障碍最为敏感。研究发现自闭症患者神经干细胞中前脑模式形成因子的反复异常，为理解自闭症的早期发育起源提供了新视角。此外，研究建立的NeMO Analytics资源平台，整合了跨物种发育脑数据，为探索人类脑功能障碍的分子基础提供了重要工具。

这项研究的创新性在于将神经发育障碍的研究焦点从传统的神经元功能障碍，前移至更早期的神经干细胞阶段和脑模式形成过程。这不仅拓展了我们对神经发育障碍病因学的认识，也为开发针对特定发育窗口期的干预策略提供了理论依据。特别是对自闭症等复杂神经精神疾病，研究揭示的个体特异性表达模式，为未来个性化医疗提供了潜在靶点。