Chd8单倍剂量不足导致小鼠皮层发育中细胞类型特异性基因表达失调的单细胞转录组学解析

本研究针对自闭症谱系障碍（ASD）高风险基因CHD8单倍剂量不足如何影响神经发育过程中细胞特异性转录调控这一关键问题，利用单细胞和单核RNA测序技术，系统分析了Chd8+/-小鼠胚胎期和幼年期皮层细胞的转录组变化。研究发现Chd8与ASD风险基因在皮层发育中呈现保守的表达轨迹，并揭示了Chd8单倍剂量不足会导致放射状胶质细胞和兴奋性神经元中神经发育障碍相关基因的特异性失调，特别是突触成熟相关基因的异常表达。该研究为理解CHD8相关ASD的细胞分子机制提供了重要见解，发表于《Cell Genomics》。

　　

自闭症谱系障碍（Autism Spectrum Disorder, ASD）是一种复杂的神经发育性疾病，其遗传基础涉及数百个风险基因。其中，CHD8（Chromodomain Helicase DNA Binding Protein 8）作为染色质重塑因子，是最常被发现的ASD风险基因之一。CHD8的蛋白截断变异被认为会导致CHD8单倍剂量不足（haploinsufficiency），进而可能通过扰乱神经发育过程中的基因表达调控，贡献于ASD的发病机制。然而，由于大脑皮层的高度细胞异质性，CHD8单倍剂量不足在特定细胞类型中的转录组影响，以及其如何与其他ASD风险基因相互作用，仍不清楚。

为了深入解析这些问题，Yim等人在《Cell Genomics》上发表了他们的最新研究。他们通过构建Chd8^+/-小鼠模型，结合单细胞转录组测序（scRNA-seq）、单核转录组测序（snRNA-seq）、免疫组织化学染色、bulk RNA-seq以及生物信息学分析，系统描绘了Chd8单倍剂量不足在胚胎期和幼年期小鼠皮层中引起的细胞类型特异性基因表达变化。

研究主要采用了以下关键技术方法：利用CRISPR/Cas9技术构建Chd8^+/-小鼠模型；对E12.5、E14.5、E16.0、E17.5胚胎及P25幼年小鼠皮层进行scRNA-seq和snRNA-seq；使用免疫组织化学（IHC）验证CHD8蛋白表达模式；通过PHATE和Monocle 3进行伪时间轨迹和差异表达分析；整合已发表的人胎儿皮层scRNA-seq数据（孕17-18周）进行跨物种比较；并利用GSEA和GO富集分析解析功能通路。

Generation and initial characterization of a Chd8^+/- mouse model

研究人员通过CRISPR/Cas9技术成功构建了组成性缺失Chd8 exon 3的小鼠模型（Chd8^+/-），该突变导致Ala408处的移码突变和蛋白质提前终止。免疫组化和Western blot结果表明，Chd8^+/-小鼠皮层中Chd8 mRNA和蛋白水平均显著降低，且CHD8蛋白在野生型小鼠皮层中表现出明显的顶端-基底表达梯度，从脑室区（VZ）到皮质板（CP）逐渐增加，这种分布在Chd8^+/-中得以保留。

Single-cell transcriptome profiling of wild-type and Chd8^+/- mouse embryonic cortex

通过scRNA-seq对超过13万个细胞进行分析，研究成功鉴定了包括放射状胶质细胞、中间 progenitor、兴奋性神经元、GABA能中间神经元在内的主要细胞类型。细胞组成分析显示，Chd8单倍剂量不足并未引起显著的细胞类型比例变化，这与部分既往研究不一致。

Inferring gene expression trajectories in the developing mouse cortex

通过PHATE降维和伪时间轨迹分析，研究人员重建了兴奋性神经元谱系的发育轨迹，并发现Chd8及其它ASD风险基因（如Pogz）的表达沿伪时间逐渐增加，这与免疫组化结果一致，表明这些基因在神经元分化成熟过程中扮演重要角色。

Defining sets of genes exhibiting shared transcriptional trajectories

通过聚类基因表达轨迹，研究定义了10个metagene（元基因集），其中metagene H和I富含ASD风险基因和发育障碍（DDD）基因，并显著富集与突触传递、神经元投射发育相关的GO功能术语。

ASD risk-associated gene trajectories are conserved between mouse and human

研究人员进一步分析了人胎儿皮层scRNA-seq数据，发现小鼠和人皮层中ASD风险基因的表达轨迹具有高度保守性，metagene H′和I′同样富集ASD风险基因，提示CHD8调控的转录网络在物种间保守。

Genes associated with risk for NDDs are dysregulated in Chd8^+/- embryonic cortex

差异表达分析显示，Chd8单倍剂量不足主要影响E12.5放射状胶质细胞和E17.5上层神经元中的基因表达。这些差异表达基因（DEGs）显著富集CHD8靶基因、ASD风险基因、DDD基因以及FMRP（脆性X智力低下蛋白）靶基因。功能上，下调基因与染色质重塑、神经元投射发育相关，而上调基因与线粒体能量代谢相关。

Synaptic genes are dysregulated across excitatory neuron subtypes in juvenile Chd8^+/- cortex

对幼年小鼠皮层的snRNA-seq分析发现，兴奋性神经元亚型中出现了大量DEGs，特别是与突触组织和功能相关的基因。包括离子型谷氨酸受体亚基（如Grin2a、Grin2b）、突触支架蛋白（如Shank2、Dlg2）及其调控因子（如Shisa6、Neto1）的表达普遍下调，而上调基因则涉及代谢型谷氨酸受体信号（如Homer1）。这些变化提示Chd8单倍剂量不足可能导致突触功能受损和突触成熟延迟。

讨论与结论

本研究系统揭示了Chd8单倍剂量不足在小鼠皮层发育过程中引起的动态且细胞类型特异性的转录组紊乱。研究发现，Chd8与其它ASD风险基因在皮层发育中表现出共同的表达轨迹，且在人和小鼠之间保守。Chd8单倍剂量不足不仅直接调控其靶基因，还间接影响多个神经发育障碍（NDD）相关基因的表达，包括在放射状胶质细胞中影响染色质重塑和神经元发育基因，在兴奋性神经元中扰乱突触相关基因表达。

这些发现支持了CHD8通过协调神经发育过程中关键基因的表达网络来维持正常皮层发育的假说。其单倍剂量不足可能通过破坏这一网络，导致从神经发生到突触成熟的多个过程异常，从而贡献于ASD的病理机制。此外，研究还提示Chd8单倍剂量不足对不同细胞类型和发育阶段的影响具有异质性，例如在胚胎早期主要影响祖细胞，而在胚胎晚期和出生后则更多影响神经元功能。

该研究的局限性在于Chd8单倍剂量不足引起的基因表达变化幅度较小，且未能显著检测到性别特异性效应。未来研究可通过增加样本量、结合多组学技术和功能实验，进一步验证这些发现并揭示其背后的分子机制。

总之，这项研究为我们理解CHD8在ASD中的作用提供了高分辨率的细胞分子视角，强调了在神经发育过程中不同细胞类型对CHD8单倍剂量不足的敏感性差异，为未来针对ASD的干预策略提供了重要理论基础。