TAOK2激酶通过调控纤毛长度驱动16p11.2拷贝数变异相关脑发育异常的机制研究

本研究针对16p11.2基因组位点缺失/重复导致的脑容量异常现象，通过定量磷酸化蛋白质组学分析患者来源iPSC分化的神经祖细胞（NPCs），首次揭示TAOK2激酶通过调控纤毛长度影响Sonic hedgehog（SHH）信号通路的分子机制。研究发现16p11.2缺失携带者NPCs纤毛异常延长而重复携带者纤毛缩短，并通过功能筛选锁定TAOK2和PPP4C为关键调控因子，为神经发育障碍的病理机制提供了新见解。

　　

研究背景与科学问题

16p11.2基因组位点的拷贝数变异（CNV）是人类神经发育障碍的重要遗传因素，其缺失和重复分别导致大脑体积增大（巨脑畸形）和减小（小头畸形）的相反表型。尽管已知该区域包含30个注释基因，但驱动这些剂量依赖性表型的细胞机制仍不清楚。原发性纤毛作为细胞"天线"，在神经发育中扮演关键角色——其长度异常与多种脑疾病相关，但纤毛动态是否参与16p11.2 CNV病理过程尚未探索。

研究设计与技术方法

研究团队建立了包含3名16p11.2缺失携带者、3名重复携带者和3名健康对照的iPSC库，通过双SMAD抑制法分化为背侧前脑神经祖细胞（NPCs）。采用10重串联质量标签（TMT）定量磷酸化蛋白质组学技术，结合TiO₂亲和富集策略筛选差异磷酸化蛋白。通过shRNA和过表达筛选锁定关键基因，利用CRISPR-Cas9构建TAOK2敲除（KO）细胞系，结合免疫荧光、qPCR和特异性抑制剂CP43（IC₅₀=15 nM）分析纤毛形态与功能。

主要研究结果

1. 1.

   磷酸化蛋白质组揭示纤毛相关蛋白异常

   定量分析发现16p11.2缺失NPCs中213个蛋白的304个磷酸肽段显著下调，其中29个属于纤毛/中心体数据库（CCDB）收录蛋白。

1. 1.

   纤毛长度呈现剂量依赖性改变

   ARL13B免疫染色显示：缺失组纤毛平均长度（3.65-4.79μm）较对照组（2.36-2.55μm）显著延长，而重复组（1.34-1.83μm）明显缩短。血清饥饿实验证实这种差异与细胞周期无关。

1. 1.

   TAOK2被鉴定为核心调控因子

   功能筛选显示：TAOK2-shRNA使纤毛延长至5.43μm（对照3.43μm），而过表达TAOK2则缩短至1.66μm。CRISPR构建的TAOK2 KO细胞（4.4和4.9克隆）纤毛长度增加50%，并伴随IFT88纤毛尖端异常积聚。

1. 1.

   SHH信号通路异常激活

   TAOK2 KO NPCs中：

   • •

     纤毛内SMO阳性细胞比例从17.58%增至34.69-39.22%

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     SAG处理后GLI1 mRNA水平显著上调

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     中心体蛋白PCNT荧光强度增加65%

研究意义与展望

该研究首次建立16p11.2 CNV-纤毛长度-SHH信号轴的病理机制模型：TAOK2通过磷酸化调控纤毛组装动力学，其剂量失衡导致纤毛结构异常→SHH信号紊乱→神经发育障碍。发现纤毛长度可作为16p11.2 CNV的生物标志物，并为靶向TAOK2激酶活性（如CP43抑制剂）的治疗策略提供理论基础。未来需在更多患者样本和动物模型中验证这一机制，并探索其在肥胖、自闭症等共病中的作用。