母体高血糖通过Foxp1-Dll1-Notch轴调控胚胎大脑皮层发育的机制研究

《Advanced Science》：Maternal Hyperglycemia Disrupts Cerebral Cortex Development Through the Foxp1-Dll1-Notch Axis

　　

母体高血糖与后代不良神经发育结局相关，但其影响胎儿大脑发育的机制尚未完全明了。研究人员利用孕前糖尿病（pregestational diabetes mellitus, PGDM）小鼠模型发现，母体高血糖与皮层厚度减少及皮层分层异常相关。这些异常伴随神经干细胞分化与不对称分裂的改变，以及神经元迁移和树突发育受损。转录组分析鉴定出转录因子Foxp1在PGDM胚胎皮层中显著下调。在体内恢复Foxp1表达可大幅减轻所观察到的皮层异常。机制实验表明，Foxp1抑制Notch配体Delta-like 1（Dll1）的转录并减弱Notch信号。综上，这些发现将Foxp1–Dll1–Notch轴确定为PGDM模型中导致皮层形成受损的一条通路，并为不良宫内代谢环境影响胚胎大脑发育提供了见解。

**论文解读：母体高血糖通过Foxp1-Dll1-Notch轴破坏大脑皮层发育**

母体高血糖是妊娠期最常见的并发症之一，与胎儿神经管畸形、自闭症谱系障碍（autism spectrum disorder, ASD）和注意缺陷/多动障碍（attention-deficit/hyperactivity disorder, ADHD）等不良神经发育结局风险增加有关。然而，母体高血糖影响胎儿大脑皮层发育的分子机制尚不清楚。大脑皮层由神经干细胞（neural stem cells, NSCs）产生，其发育依赖放射状胶质细胞（radial glial cells, RGCs）通过对称与不对称分裂、神经元分化、径向迁移及树突成熟等过程的精确协调。转录因子Foxp1在皮层发育中发挥重要作用，人类FOXP1突变可导致智力障碍和ASD，但Foxp1是否参与母体高血糖诱导的皮层发育异常此前未见报道。

研究人员采用链脲佐菌素（streptozotocin, STZ）诱导孕前糖尿病（PGDM）小鼠模型，系统分析了母体高血糖对胚胎皮层发育的影响。结果发现，PGDM胚胎在E12.5至P1阶段皮层厚度显著减少，皮层分层紊乱，且神经干细胞分化、不对称分裂、神经元径向迁移和树突发育均出现异常。转录组测序（RNA-seq）鉴定出大量差异表达基因，其中转录因子Foxp1显著下调。通过宫内电穿孔（in utero electroporation, IUE）在皮层神经干细胞中恢复Foxp1表达，可大幅挽救上述皮层发育异常。机制研究进一步揭示，Foxp1直接抑制Notch配体Delta-like 1（Dll1）的转录，减弱Notch信号活性。该研究首次鉴定出Foxp1–Dll1–Notch信号轴在母体高血糖引起的皮层发育异常中的关键作用，为理解不良宫内代谢环境如何影响胚胎脑发育提供了分子机制。论文发表在《Advanced Science》。

主要技术方法：采用STZ（75 mg kg^?1，连续3天腹腔注射）诱导的PGDM小鼠模型（C57BL/6J小鼠，血糖>16 mmol L^?1）。核心技术包括：Nissl染色与免疫荧光分析皮层分层及细胞标志物；RNA-seq结合GO、KEGG和GSEA筛选差异通路；qPCR和Western blot验证表达；IUE介导shRNA敲低和过表达；双荧光素酶报告基因和CUT&Tag验证Foxp1对Dll1启动子的直接结合与转录抑制。实验以对照组与PGDM组孕鼠胚胎为样本，每组n=3。

结果部分：

2.1 母体高血糖破坏胚胎发育过程中的皮层分层：通过Nissl染色和分层厚度量化，PGDM胚胎各阶段皮层厚度减少；E15.5时VZ/SVZ厚度下降，而E18.5和P1时VZ/SVZ比例增加、皮质板（cortical plate, CP）厚度和比例显著下降，表明皮层组织结构异常持续进展。

2.2 母体高血糖破坏神经干细胞分化、不对称分裂、神经元迁移和树突发育：免疫荧光显示PGDM胚胎Sox2⁺ NSCs增多、Tbr2⁺中间祖细胞减少，深层（Ctip2⁺、Tbr1⁺）和上层（Cux1⁺）神经元数量减少；分裂角度分析显示对称分裂比例增加、不对称分裂减少；IUE示踪显示神经元迁移至CP的比例降低、先导过程缩短；Sholl分析显示树突复杂性和总长度下降。

2.3 母体高血糖不改变神经干细胞增殖、细胞周期进程或凋亡：cleaved-Caspase-3凋亡染色无差异；pH3⁺Sox2⁺增殖比例、Ki67⁺Tbr2⁺细胞比例以及EdU⁺Ki67⁺细胞周期再进入比例均无显著差异。

2.4 Foxp1在PGDM胚胎发育皮层中下调：RNA-seq共鉴定3518个差异表达基因（|log2FC|>1，FDR<0.05），GO和KEGG富集显示这些基因涉及神经元发育、突触形成、轴突导向等过程；结合皮层发育基因交集、蛋白互作网络和公共数据库分析，筛选出7个候选基因，qPCR验证Foxp1下调幅度最大。

2.5 Foxp1在神经祖细胞和皮层神经元中广泛表达，并在PGDM胚胎中下调：免疫荧光显示Foxp1在E12.5至P1的皮层中广泛表达，PGDM胚胎各时期荧光强度均降低；Western blot和qPCR证实Foxp1蛋白和mRNA显著减少；共标记显示Sox2⁺ NSCs、pH3⁺分裂细胞、Tuj1⁺神经元前体及Cux1⁺上层神经元中Foxp1均下调。

2.6 Foxp1敲低破坏神经干细胞分化和神经元迁移：IUE在E14.5敲低Foxp1后，E17.5分析显示Sox2⁺EGFP⁺比例增加、Tbr2⁺EGFP⁺减少，贴附心室面的RGC比例增加，进入CP的EGFP⁺细胞减少，Ctip2⁺深层神经元显著下降，说明Foxp1敲低可模拟PGDM的多种皮层异常。

2.7 Foxp1表达恢复可大幅挽救PGDM胚胎皮层发育异常：在PGDM胚胎中过表达Foxp1后，Sox2⁺细胞比例回落、Tbr2⁺中间祖细胞增加，不对称分裂比例恢复，径向迁移显著改善，先导过程长度和树突总长度均恢复至接近对照组水平。

2.8 Foxp1直接抑制Dll1转录并调节Notch信号：GSEA显示PGDM皮层中Notch信号通路富集；Dll1在PGDM中表达升高；JASPAR预测Dll1启动子含15个Foxp1结合位点，ChIP-seq及CUT&Tag证实Foxp1结合Dll1启动子；双荧光素酶报告实验显示Foxp1抑制Dll1启动子活性；敲低Dll1可部分挽回PGDM中Sox2⁺比例升高、Tbr2⁺减少和迁移缺陷。

讨论部分总结：该研究证明母体高血糖通过多环节干扰皮层发育，Foxp1下调是重要原因之一。Foxp1通过直接抑制Dll1转录来维持Notch信号平衡，进而调控神经干细胞分化和神经元迁移。由于RNA-seq显示超过3500个差异基因，Foxp1并非唯一调控因子，仍需明确Foxp1上游的调控机制及其它通路的相互作用。研究人员强调，本研究仅探讨胚胎期皮层发育，未涉及出生后神经回路功能和行为学，因此与神经发育疾病的直接关联需谨慎解读。

结论：总之，母体高血糖改变胚胎皮层形成的多个方面，包括神经干细胞分化、不对称分裂、神经元迁移和树突发育。研究结果将Foxp1表达降低牵连到这些异常中，并表明Foxp1抑制Dll1转录并调节Notch信号。恢复Foxp1表达大幅改善了母体高血糖诱导的皮层异常，支持Foxp1–Dll1–Notch轴作为PGDM胚胎中皮层形成改变的一个通路。母体高血糖降低Foxp1表达的机制仍不清楚。这些发现为母体高血糖对胎儿大脑发育的影响提供了机制见解，同时确定了一个有待进一步研究的重要问题。