STRADA缺失导致人类和小鼠皮层中间神经元发育障碍

《Neurobiology of Disease》：STRADA deficiency impairs cortical interneuron development in humans and mice

　　

羊水过多、巨脑症和症状性癫痫综合征（PMSE/STRADA相关疾病）是一种罕见的神经发育障碍，其特征为癫痫、神经认知障碍以及高围产期和儿童早期死亡率。PMSE最常由17号染色体上STRADA/LYK5基因外显子9–13的纯合缺失引起，导致STE20相关激酶适配蛋白α（STRADA）功能丧失。STRADA是一种假激酶，可激活肝脏激酶B1（LKB1），进而通过腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）驱动的机制性靶点复合物（mTOR）信号抑制发挥作用，在细胞能量耗竭时作用于TSC1/TSC2/TBC1D7上游。STRADA缺失导致mTOR过度激活，在Strada敲除（KO；Strada?/?）小鼠和PMSE人类皮层中均表现为S6蛋白磷酸化（p-S6）增加。mTOR过度激活已在结节性硬化症（TSC）、局灶性皮层发育不良（FCD）和半侧巨脑症（mTOR病）中反复得到证实。因此，明确STRADA缺失和mTOR失调对早期大脑发育的影响，对于理解PMSE发病机制以及为该疾病和其他mTOR病制定靶向治疗策略至关重要。 研究人员此前已证明，Strada缺失会损害小鼠皮层兴奋性神经祖细胞（NPCs）的迁移。对Strada?/?小鼠的组织病理学分析显示，晚出生（Cux1+）兴奋性神经元的分层受损，在出生后第9天（P9），这些预定位于皮层2/3层的神经元异常积聚在深层皮层。体外研究表明，mTOR依赖性细胞运动受损伴随细胞骨架动力学改变，提示PMSE中皮层分层异常源于mTOR过度激活驱动的迁移缺陷。这些发现推动了mTOR抑制剂西罗莫司（雷帕霉素）在PMSE儿科患者中的初步临床试验，该试验最初显示出作为该人群新型有效癫痫治疗方案的潜力。然而，癫痫发作频率随时间恢复至基线水平，促使研究人员寻找其他致病机制。 γ-氨基丁酸（GABA）能抑制性中间神经元（INs）约占皮层神经元的20–25%，通过调节兴奋性神经元活动，对维持兴奋性：抑制性网络平衡至关重要。多种发育性癫痫性脑病中已显示IN发育（特别是迁移）受损。然而，STRADA在IN发育中的作用及其对PMSE发病机制的贡献尚不清楚。 在大脑发育过程中，约90%的抑制性NPCs起源于神经节隆起（GE），随后切线迁移至皮层。GE分为内侧（MGE）和尾侧（CGE）亚区。小清蛋白（PV）和生长抑素（SST）阳性INs（两种最丰富的皮层IN类别）起源于MGE，而血清素受体3a（5HT3aR）阳性INs起源于CGE。在人类中，抑制性NPCs的切线迁移始于妊娠中期并持续至出生后。鉴于Strada缺失破坏细胞骨架组织（细胞迁移的基本过程），研究人员假设STRADA在IN迁移中发挥关键作用。 在此，研究人员首次对PMSE患者和Strada?/?小鼠大脑中的INs进行组织病理学分析。研究证明，STRADA/Strada缺失与抑制性祖细胞迁移受损的证据相关，与已知的兴奋性NPC迁移缺陷相似。研究人员采用多模态组织学方法，检测了人类PMSE和Strada?/?小鼠皮层及皮层下残留GE祖细胞区域（纹状体）中的IN亚型表达。研究人员还对发育期（P3）和成熟期（P21）Strada KO和野生型对照（WT，Strada+/+）小鼠的皮层、海马和皮层下结构的区域mRNA表达进行了分析，报告了全基因组改变，并聚焦于调控IN发育、迁移、细胞骨架组织和mTOR信号的通路。这些结果通过小鼠和人类Strada/STRADA缺陷脑中巨细胞性INs（mTOR过度激活的已知特征）得到功能验证。研究结果表明，在人类和小鼠中，STRADA/Strada缺失均导致皮层IN数量减少以及INs在皮层下残留GE区域的滞留，这与迁移受损一致，尤其影响MGE来源的IN亚型。综上所述，这些结果将STRADA确定为皮层生成过程中IN分布和分层的潜在调控因子，证明STRADA/Strada缺失导致与迁移受损一致的改变，强调了在PMSE及其他可能mTOR病的发病机制中必须考虑的早期发育过程。

STRADA缺失损害皮层中间神经元发育：一项跨人类与小鼠的多模态研究解读

研究背景与目的

羊水过多、巨脑症和症状性癫痫综合征（PMSE/STRADA相关疾病）是一种罕见的神经发育障碍，以癫痫、神经认知障碍和高围产期及儿童早期死亡率为特征。PMSE最常由17号染色体上STRADA/LYK5基因外显子9–13的纯合缺失引起，导致STE20相关激酶适配蛋白α（STRADA）功能丧失。STRADA作为假激酶激活肝脏激酶B1（LKB1），进而通过腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）驱动的机制性靶点复合物（mTOR）信号抑制发挥作用。STRADA缺失导致mTOR过度激活，表现为Strada敲除（KO）小鼠和PMSE人类皮层中S6蛋白磷酸化（p-S6）增加。既往研究已证明Strada缺失损害小鼠皮层兴奋性神经祖细胞（NPCs）的迁移，导致皮层分层异常。基于此开展的mTOR抑制剂西罗莫司临床试验虽初期显示疗效，但癫痫发作频率随时间恢复基线，提示存在其他致病机制。GABA能抑制性中间神经元（INs）约占皮层神经元20–25%，对维持兴奋性：抑制性网络平衡至关重要，多种发育性癫痫性脑病中已显示IN发育受损。然而，STRADA在IN发育中的作用及其对PMSE发病机制的贡献此前尚不清楚。本研究旨在首次系统评估STRADA/Strada缺失对IN发育的影响，并探讨其在PMSE发病机制中的潜在作用。

研究设计与方法

研究人员对PMSE患者脑组织（女性，7个月，来自Old Order Mennonite创始人突变群体，为目前唯一可获得的该疾病标本）与年龄匹配的儿科对照组织进行了免疫组织化学分析，检测皮层、海马和纹状体中总INs（GABA+、GAD65+）及主要IN亚型（PV、SST、5HT3aR）和MGE来源祖细胞标记物NKX2.1的表达。小鼠研究采用Strada^?/?、杂合（Strada^+/?）和野生型（WT，Strada^+/+）动物，对P21小鼠皮层和纹状体进行主要（PV、SST、5HT3aR）和次要（钙结合蛋白CB、神经肽Y NPY、钙网蛋白CR）IN亚型免疫荧光染色及细胞计数和胞体大小测量。同时，对P3和P21 WT与KO小鼠的皮层、海马和皮层下结构（基底节和丘脑，代表残留GE）进行批量RNA测序，采用DESeq2分析差异表达基因（DEGs），并前瞻性筛选185个与IN发育、迁移、细胞骨架组织、mTOR信号及兴奋性/胶质细胞身份相关的功能基因进行分析。

研究结果

PMSE脑呈现皮层和海马IN减少，纹状体滞留增加： 在PMSE皮层中，GABA+、GAD65+、GAD1/67+、PV+和5HT3aR+神经元较对照减少；海马中GABA+、5HT3aR+和SST+神经元减少；而纹状体中总INs及所有主要亚型数量增加。NKX2.1+细胞数量在各脑区无差异，表明IN减少并非源于祖细胞分化障碍。

PMSE INs呈现区域特异性巨细胞性： 皮层中GABA+、SST+和5HT3aR+ INs胞体增大，海马中GABA+、PV+、SST+和5HT3aR+ INs均增大，证实INs同样受mTOR过度激活影响而出现巨细胞性改变。

Strada^?/?小鼠P21呈现皮层IN减少、纹状体IN增加及纹状体IN巨细胞性： KO小鼠皮层GABA+和PV+细胞数量较WT减少，且GABA+ INs丧失偏向皮层2–3层和第4层；纹状体中GABA+、PV+、SST+和CB+细胞增加，5HT3aR+细胞减少。Lhx6+抑制性祖细胞数量在各基因型间无差异，支持迁移缺陷而非分化障碍。纹状体中GABA、PV、SST和NPY标记细胞增大，p-S6强度半定量增加，支持mTOR过度激活在纹状体滞留中的作用。

Strada缺失改变与IN发育、迁移、细胞骨架组织、mTOR信号及兴奋性/胶质身份相关的基因表达： P3皮层（734个DEGs）和P21皮层下结构（313个DEGs）受Strada缺失影响最大，而P21皮层（20个DEGs）和海马（2个DEGs）改变极少。185个目的基因中，P3皮层和P21皮层下结构各20个发生显著改变。P3皮层中多个细胞骨架转录本（Tppp3、Lin7b、Map7）下调，mTOR通路调控因子（Strada、Lamp5、Cryab）均下调；P21皮层下结构中17/20个改变的目的基因上调，包括IN相关标记物（Dlx2、Npy、Htr3a、Sst、Vip）和GE谱系转录因子（Dlx1、Dlx2、Arx、Sp8、Sp9），与IN在残留GE中滞留的组织学发现一致。

讨论与结论

本研究通过人类PMSE组织和Strada KO小鼠的多模态分析，首次证明STRADA/Strada缺失损害皮层GABA能IN发育和分层，与早期迁移障碍一致。皮层IN丧失伴纹状体积聚、Lhx6+祖细胞数量不变，支持原发性迁移缺陷假说。MGE来源IN亚型（PV、SST）受影响更显著，而CGE来源群体（5HT3aR、CR）相对保留，提示MGE来源IN对Strada缺失更敏感。PV+ INs的显著丧失可能直接导致PMSE中完全外显的智力障碍和难治性癫痫表型。转录组分析显示Strada缺失的主要效应集中在发育期皮层和成熟GE区域，与IN迁移时间窗吻合。研究局限性包括：KO小鼠低存活率限制分析时间点、单一PMSE脑标本、缺乏蛋白质水平验证。尽管如此，人类与小鼠结果的显著一致性增强了结论的可靠性。研究结论：STRADA/Strada缺陷破坏IN皮层分层并诱导IN巨细胞性，首次在mTOR相关巨脑症中定义这些关键疾病特征；皮层IN丧失伴皮层下积聚且无分化缺陷，支持迁移障碍的机制假说；早期发育阶段对IN分布的影响强调需考虑PMSE及其他mTOR相关巨脑症的更早靶向治疗干预。未来研究应聚焦于阐明STRADA/Strada缺失破坏IN皮层分层的机制，并制定预防兴奋性：抑制性失衡的治疗策略，该失衡可能促成癫痫和神经认知障碍等关键疾病特征。