《Neuroscience Letters》：SHANK3 drives abnormal neurodevelopment in iPSC-derived 2D and 3D brain models of Phelan-McDermid Syndrome
编辑推荐：
摘要费兰-麦克德米德综合征（Phelan-McDermid Syndrome, PMDS）是一种罕见的神经发育障碍，由22q13.3区域的缺失引起，该缺失涉及SHANK3基因。尽管SHANK3对突触的发育至关重要，但其在人类早期神经发育中的具体作用仍不清楚。在本研究中，我们从两名
摘要
费兰-麦克德米德综合征（Phelan-McDermid Syndrome, PMDS）是一种罕见的神经发育障碍，由22q13.3区域的缺失引起，该缺失涉及SHANK3基因。尽管SHANK3对突触的发育至关重要，但其在人类早期神经发育中的具体作用仍不清楚。在本研究中，我们从两名患有费兰-麦克德米德综合征的双胞胎患者体内制备了诱导多能干细胞（iPSC）衍生的2D神经元培养物和3D脑类器官。这些患者的22q13区域包含1.7 Mb的缺失，其中包含了SHANK3基因。由于神经前体细胞（NPCs）的增殖受损，PMDS脑类器官的体积较小。PMDS患者体内的NPCs分化过程存在偏差：兴奋性神经元减少，而GFAP+星形胶质细胞和GABA能神经元则增加。PMDS患者的神经元形态简化，突触密度降低，兴奋性减弱。重要的是，通过慢病毒介导的SHANK3过表达显著缓解了这些缺陷。我们的发现表明SHANK3是早期神经发育的关键调控因子，并为PMDS的发病机制提供了新的见解。
引言
费兰-麦克德米德综合征（PMDS）是一种罕见的神经发育障碍，其特征是发育迟缓、智力障碍以及类似自闭症谱系障碍（ASD）的行为[1]。其主要遗传原因是22q13.3区域的杂合缺失，该缺失包含SHANK3基因[2],[3]。SHANK3在谷氨酸能突触的突触后密度区域起关键支架蛋白的作用，通过与多种突触成分相互作用来调节突触的结构和功能[4],[5]。
大多数研究关注的是SHANK3在成熟突触中的功能[4],[6]。使用患者来源的iPSC进行的研究表明，SHANK3的缺乏会导致突触数量减少、突触传递受损以及培养神经元中的神经突起生长异常[7],[8]。然而，其在人类早期神经前体细胞（NPCs）中的作用仍有待进一步研究。新的证据表明，SHANK3在神经前体细胞阶段就已经表达，并可能调节其增殖和分化，这意味着它在神经发育中的作用可能不仅仅局限于成熟突触[9]。
患者来源的iPSC是一种强大的工具，可用于体外模拟神经发育障碍，因为它们保留了患者的原始遗传背景，并可以分化为多种类型的神经细胞[10],[11]。在本研究中，我们从PMDS患者和健康对照组中制备了iPSC，将其分化为2D皮质神经元和3D脑类器官。我们系统地研究了PMDS患者神经前体细胞的增殖和分化情况、神经元形态、电生理功能以及转录组特征，并测试了慢病毒介导的SHANK3过表达的修复效果。我们的研究揭示了SHANK3在早期神经发育中的重要作用，并扩展了对其发病机制的理解。
章节片段
研究对象
本研究得到了山东大学附属儿童医院伦理委员会的批准（SDFE-IRB/P2022011），并遵循了《赫尔辛基宣言》。招募了两名携带22q13.3区域杂合缺失的男性双胞胎PMDS患者和三名年龄匹配的健康对照组（见补充表S1），所有参与者均签署了知情同意书。iPSC的制备方法如先前所述[12]。
iPSC向NPCs和神经元的分化
我们使用双重SMAD抑制方案（同时抑制BMP信号通路）将iPSC分化为NPCs。
PMDS患者特异性iPSC的制备与验证
我们从两名携带22q13.3区域1.7 Mb缺失的PMDS患者及三名健康对照组中制备了iPSC系（见补充表1）。所有iPSC均表现出典型的多能干细胞特征（见补充图S1B），表达了多能性标志物（见补充图S1A、C），核型也正常（见补充图S1D）。通过染色体微阵列分析（CMA）确认了这些iPSC在22q13.3区域确实存在1.7 Mb的缺失（见补充图S1E）。此外，还对PMDS
讨论
我们利用患者来源的iPSC构建了PMDS的2D神经元和3D脑类器官模型，阐明了SHANK3基因单倍剂量不足所引发的神经发育病理过程。研究表明，SHANK3对人类NPC的增殖起着关键调节作用，其缺乏会导致脑类器官体积减小。SHANK3单倍剂量不足会导致细胞谱系分化失衡，表现为兴奋性神经元生成减少，而星形胶质细胞和GABA能神经元生成增加。
意义声明
本研究表明，SHANK3基因单倍剂量不足通过影响神经前体的增殖和细胞谱系的分化，干扰了人类早期的神经发育过程，这超出了其在成熟神经元中已知的突触作用，从而加深了我们对费兰-麦克德米德综合征相关神经发育缺陷的发病机制的理解。
作者贡献
王兴翠和郭萌设计了实验方案。郭萌和霍萌实施了实验并分析了数据。郭萌撰写了初稿。王兴翠和漳红霞监督了整个项目并修订了论文。
作者贡献声明
郭萌：负责撰写初稿、数据可视化、结果验证、软件选择、实验方法设计、数据分析、数据分析及概念框架的构建。霍萌：负责软件选择、实验方法设计、数据分析。漳红霞：数据可视化、项目监督、资源管理。王兴翠：撰写与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、资源协调、数据管理及概念框架的构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢参与本研究的患者和健康志愿者。本工作得到了山东省药品不良反应监测中心的支持（2024SDADRKY25）。
作者：郭萌 | 霍萌 | 张红霞 | 王兴翠
