β-羟基丁酸暴露与人类中脑类器官中TH+神经元数量增加及多巴胺能相关转录特征的变化有关

《Cellular and Molecular Neurobiology》：β-Hydroxybutyrate Exposure is Associated with Increased TH+ Neuron Abundance and Dopaminergic-Related Transcriptional Features in Human Midbrain Organoids

摘要

神经元分化是一个高度受调控的过程，形态发生素通过协调的转录程序来确定细胞的身份。然而，生理来源的代谢物对人类神经发育的贡献仍不甚明了。β-羟基丁酸已被认为是一种具有炎症调节、表观遗传调控、能量调节及神经保护作用的物质。我们从人类胚胎干细胞中分化出中脑底板神经前体细胞，进而生成中脑类器官，并让这些类器官暴露在β-羟基丁酸环境中。虽然在对照组的中脑类器官中也发生了多巴胺能神经元的分化，但用1 mM的β-羟基丁酸处理16天后，酪氨酸羟化酶阳性神经元的数量以及通过批量RNA测序检测到的相关转录本数量都显著增加。此类转录组分析显示，β-羟基丁酸导致了营养相关、神经元相关及多巴胺能相关转录本的轻微但一致的改变。为进一步描述这些变化，我们使用了经过整理的与细胞表型相关的转录程序进行基因集富集分析。分析结果表明，在处理16天的中脑类器官中，β-羟基丁酸处理会导致多巴胺能相关转录程序的富集分数发生变化。在表观基因组层面，我们利用CUT&RUN检测方法分析了H3K27乙酰化情况，经筛选出的β-羟基丁酸处理后的H3K27ac区域与其邻近基因存在关联，这表明在两个时间点上，神经元相关及多巴胺能相关的基因本体类别都出现了富集现象。对H3K27ac富集区域进行的无监督分析显示，在分化过程中存在三个主要簇，且这些簇在对照组和中脑类器官经β-羟基丁酸处理后的样本中都有出现。对这些簇区域的 motif富集分析则发现了mfNPC和中间脑类器官中不同的预测转录因子结合位点。最后，我们将这种motif分析、增强子注释以及我们的转录组数据整合到一个名为“增强子网络浏览器”的网络平台上，用以研究在人类中脑类器官分化过程中H3K27ac特征、转录变化与β-羟基丁酸暴露之间的关联。总体而言，我们的研究结果表明，β-羟基丁酸处理会增加TH阳性细胞的数量，还会带来与神经发育相关转录程序的整体变化。这些发现表明，β-羟基丁酸可能有助于人类中脑的早期分化，也为未来研究代谢信号、染色质相关调控机制与多巴胺能神经元分化之间的关联提供了起点。

图形摘要

人类胚胎干细胞在对照条件下或存在β-羟基丁酸的环境中被分化为中脑底板神经前体细胞，随后进一步发育成中脑类器官。β-羟基丁酸处理促进了多巴胺能神经元的分化，这一现象可从TH⁺细胞数量的增加中得到体现。β-羟基丁酸能够调节转录因子与增强子之间的相互作用，进而导致H3K27ac标记的调控区域发生变化，同时激活增强子网络。这种重组有助于关键多巴胺能基因的表达，包括TH、CORIN、FOXA2、ASCL2和KCNJ6等基因。综合来看，这些研究结果表明，β-羟基丁酸作为一种代谢调节因子，能够影响驱动多巴胺能细胞谱系形成的表观遗传及转录程序。