《Computational Biology and Chemistry》：From Internal Discrimination to External Transportability: A Multi-Layer Evaluation of Gestational Maternal-Blood Transcriptomic Signals Associated with Later Neurodevelopment
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摘要
背景
妊娠期间的母体血液转录组谱型可能反映了与后期神经发育相关的生物状态，但内部可检测到的信号可能无法在不同的人群、组织、分子层次或实验系统之间传递。我们评估了一种与后期非典型神经发育相关的途径级母体妊娠转录组信号的内部的稳健性和跨背景的可传输性。
方法
我们使用6
摘要
背景
妊娠期间的母体血液转录组谱型可能反映了与后期神经发育相关的生物状态，但内部可检测到的信号可能无法在不同的人群、组织、分子层次或实验系统之间传递。我们评估了一种与后期非典型神经发育相关的途径级母体妊娠转录组信号的内部的稳健性和跨背景的可传输性。
方法
我们使用619个预先指定的途径评分，对214例MARBLES妊娠期的母体妊娠血液转录组进行了总结，并通过重复嵌套交叉验证来分析非典型与典型神经发育之间的关系。通过在1000次结果标签排列后重复整个发现过程，评估了信号的特异性。随后在独立的转录组队列、正交的甲基组数据集、自闭症常见变异遗传数据、发育脑图谱以及人类神经细胞中CRISPR对神经发育风险基因的扰动中评估了这些途径发现的结果。
结果
该发现过程的折叠外ROC-AUC为0.693，PR-AUC为0.677，Brier评分为0.227，优于同一流程的所有1000次表型排列运行（经验p<0.001）。留一法（leave-one-batch）的性能表现不稳定。独立的脐带血转录组提供了有限的方向性支持，而胎盘转录组未能复制该信号。甲基组分析显示的支持有限，常见变异遗传学未见明显一致性，神经CRISPR扰动也未显示出功能上的一致性。发育脑图谱分析表明胎儿抑制性神经元通路与抑制性神经元有很强的相关性。
结论
母体妊娠血液信号在内部可以与偶然结果区分开来，但在独立的生物学背景下显示出有限的可传输性。这些发现区分了队列内的分子预测性与更广泛的生物学普遍性，并支持在将产前分子信号解释为可移植的生物标志物或机制之前进行多背景压力测试。
引言
自闭症谱系障碍（ASD）是一种异质性的神经发育疾病，由复杂的遗传易感性和发育暴露因素共同导致（Lord等人，2020年）。大规模测序研究已经确定了许多风险基因，这些基因涉及转录调控、染色质生物学、神经元分化和突触通信，表明多种分子变化可能会干扰有限的神经发育过程（Satterstrom等人，2020年）。妊娠期特别重要，因为胎儿大脑发育发生在母体的生物环境中，在此环境中遗传倾向、营养、代谢状态、炎症和其他暴露因素可能相互作用（Cheroni等人，2020年；Lord等人，2020年）。因此，富含家族风险因素的妊娠队列为研究儿童神经发育之前的分子变异提供了宝贵的研究环境（Hertz-Picciotto等人，2018年；Ozonoff等人，2024年）。
妊娠期间收集的母体血液提供了一个可访问的、前瞻性的生物学矩阵，用于研究儿童神经发育之前的分子过程（Hertz-Picciotto等人，2018年；Zhu等人，2021年）。对母体和脐带血的前瞻性研究已经发现了与结果相关的表达模式，这些模式涉及染色质调控、免疫过程、代谢以及对环境暴露的反应（Mordaunt等人，2019年；Zhu等人，2021年）。然而，自闭症及相关神经发育表型的转录组发现往往在单基因水平上再现性有限，而途径和网络级别的分析可能在不同研究中捕捉到更可重复的协调生物模式（Balc?和Akgüller，2026年；Ch’ng等人，2015年；Tylee等人，2017年）。当这些途径级信号在不同的队列、组织、分子层次和实验系统中进行测试时，它们是否仍然可检测到，目前尚不明确。
有几个生物学系统被认为是妊娠期转录组变异的合理候选者。一碳代谢将叶酸、蛋氨酸、胆碱、甜菜碱及相关代谢物与核苷酸合成、氧化还原平衡以及用于表观遗传调控的甲基供体联系起来（Bekdash，2023年）。流行病学研究将妊娠前期的叶酸暴露与某些人群中较低的ASD风险相关联，尽管这些发现并不一致，也不能确定因果关系（Schmidt等人，2012年；Surén等人，2013年）。Wnt信号传导对神经模式形成、祖细胞增殖、细胞命运决定、神经元迁移和突触发育同样至关重要，Wnt相关调控的改变在ASD的实验和遗传模型中已被证实（Bae和Hong，2018年）。控制神经元分化、抑制性中间神经元发育、少突胶质细胞成熟和突触组织的途径为评估妊娠期转录组变异提供了额外的生物学基础。
GSE148450数据集提供了一个独特的机会，可以利用在高家族风险MARBLES队列中妊娠期间前瞻性收集的母体外周血转录组来研究这些问题（Hertz-Picciotto等人，2018年；Zhu等人，2021年）。原始研究应用了差异表达分析和加权基因共表达网络分析，识别出与儿童结果相关的转录本、ASD和非典型发育中的共有表达变化，以及与母体一碳代谢物（包括叶酸、5-甲基四氢叶酸、甜菜碱和二甲基甘氨酸）相关的共表达模块（Zhu等人，2021年）。随后对GSE148450进行的二次分析聚焦于导致ASD和典型发育的妊娠，并将母体血液差异表达的转录本与ASD大脑和人类神经发育转录组数据集整合起来，以表征时空转录模式（Duan等人，2022年）。这些研究在MARBLES队列中建立了生物学上相关的关联，但它们没有确定在完整的预测流程下，一种途径级的母体妊娠信号是否能在结果排列后仍然被检测到，或者这种信号能在多大程度上跨越独立的生物学背景进行传输。
因此，我们使用619个预先指定的途径评分重新分析了GSE148450数据集，并通过重复嵌套弹性网络交叉验证来评估非典型与典型神经发育之间的关系。首先，我们测试了整个发现过程是否捕获了超出表型排列预期之外的结果相关结构。然后，我们将得到的途径结构视为发现信号，并评估了其在独立转录组队列、不同的围产期组织、甲基组数据集、母体无细胞DNA、自闭症常见变异遗传背景、人类发育脑图谱以及人类神经细胞中CRISPR扰动中的可传输性。我们的目标是在不同生物学背景下确定母体妊娠转录组信号的可检测性、其生物学一致性和其传输性的限制。
章节片段
研究设计和分析框架
本研究结合了内部验证的发现分析和多层次的可传输性框架，以研究与后期非典型神经发育相关的母体妊娠血液转录组信号是否在不同队列、组织、分子层次、遗传背景和实验神经扰动中仍然可检测。
发现队列特征
发现分析包括来自MARBLES队列的214份母体血液转录组谱型，其中56例妊娠结果为自闭症谱系障碍（ASD），55例为非典型发育（NonTD），103例为典型发育（TD）。ASD和NonTD合并为主要的非典型神经发育（ATYP）结果，得到111例ATYP和103例TD妊娠。总体上，43.0%的后代为女性，母体血液采集时的平均妊娠年龄为169.8周。
讨论
在本研究中，妊娠期间在母体血液中测量的途径级转录组谱型包含了与MARBLES队列中后期非典型神经发育相关的信息，但这种信号在不同生物学背景下的可传输性有限。主要的619途径弹性网络模型具有中等区分度，折叠外ROC-AUC为0.693，整个发现过程的表现优于同一流程的所有1000次表型排列运行。
数据可用性
本研究中分析的所有数据集均可从文献中引用的存储库公开获取。主要的母体血液转录组数据集可从Gene Expression Omnibus获取，访问号为GSE148450。外部转录组和甲基组数据集分别来自GSE123302、GSE279194、GSE140730和GSE319096，具体信息见相应的研究报告。用于遗传和发育分析的摘要统计和参考数据集也可在这些来源中找到。
资金
本研究未从公共、商业或非营利部门获得任何特定资助。
CRediT作者贡献声明
KO? Sümeyye：正式分析、概念化、方法学、软件开发、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。YUSUFO?LU Bü?ra：调查、验证、撰写、审稿与编辑。KAZAN? Emine：概念化、方法学、监督、验证、撰写、审稿与编辑。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）和Cursor来协助语言润色、手稿组织和代码开发与调试。使用这些工具后，作者对最终内容进行了批判性审查和编辑，验证了分析和参考文献，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
