《Journal of Developmental Biology》：Defective Neural Stem and Progenitor Cell Proliferation in Neurodevelopmental Disorders
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神经发育障碍（NDDs），包括自闭症谱系障碍、智力障碍和注意缺陷多动障碍，日益被认为是早期脑构建障碍，由神经干细胞和祖细胞（NSPCs）增殖缺陷引起。NSPCs负责生成建立皮层架构和神经回路的不同神经元和胶质细胞谱系；因此，它们的扩增必须由内在细胞周期调节因子
神经发育障碍（NDDs），包括自闭症谱系障碍、智力障碍和注意缺陷多动障碍，日益被认为是早期脑构建障碍，由神经干细胞和祖细胞（NSPCs）增殖缺陷引起。NSPCs负责生成建立皮层架构和神经回路的不同神经元和胶质细胞谱系；因此，它们的扩增必须由内在细胞周期调节因子和外在微环境来源的线索紧密协调。这些机制的破坏——通过基因突变、表观遗传失调或环境损伤——可能扰乱NSPC自我更新与分化之间的平衡，导致异常脑大小和连接。使用动物模型和人多能干细胞来源的脑类器官的最新研究已识别出关键信号通路，包括Notch、Wnt、SHH和PI3K–mTOR，作为整合增殖信号的中央枢纽，而转录和染色质调节因子如PAX6、CHD8、SETD5和ANKRD11则调控对正常NSPC周期至关重要的基因表达。此外，产前暴露于致畸因素如寨卡病毒感染、丙戊酸或苯丙酮尿症中的代谢应激，可重现增殖缺陷和小头畸形，强调了NSPCs对环境扰动的脆弱性。本综述总结了关于缺陷NSPC增殖如何促进NDD发病机制的分子和细胞机制的新见解，突出了遗传和环境因素在细胞周期控制上的汇聚。深入理解这些通路可能发现共享的治疗靶点，以恢复神经发育轨迹并减轻疾病负担。
1. 引言
神经发育障碍（NDDs）包括自闭症谱系障碍（ASD）、智力障碍（ID）和注意缺陷多动障碍（ADHD）等广泛疾病，全球约每20名儿童中就有1名受其影响，对患者及其家庭造成终身挑战。尽管临床异质性显著，这些障碍被认为共享一个共同基础特征：早期神经发育过程的破坏，这对建立正确的脑结构和功能至关重要。脑形成最早的过程之一是胚胎皮层神经干细胞和祖细胞（NSPCs）的增殖，这些细胞产生填充中枢神经系统的神经元和胶质细胞。原则上，神经干细胞生成主要分化为神经元的神经祖细胞，而胶质祖细胞被认为只产生星形胶质细胞和少突胶质细胞。然而，研究显示神经祖细胞表现出胶质细胞特性，并能产生神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，从而模糊了专职胶质祖细胞与多能神经祖细胞之间的界限。值得注意的是，神经发生先于胶质发生，在约小鼠胚胎第10天（人类孕周10周）开始，并在约小鼠胚胎第16天（人类孕周16周）转向胶质发生。这一时间进程表明神经祖细胞发育潜能的动态变化。尽管越来越多的证据指向NDDs中的胶质细胞异常，但异常胶质发生的具体贡献仍不明确。因此，本综述重点强调NSPC增殖缺陷及其与NDDs发病机制的相关性。
2. 正常脑发育中的神经干细胞和祖细胞
发育脑中最早的NSPCs是神经上皮细胞，这些神经干细胞在早期神经发生过程中最初通过对称分裂扩增祖细胞池。随着神经管成熟，这些神经上皮细胞逐渐转化为放射状胶质细胞——高度极化的祖细胞，其突起横跨胚胎皮层全层。放射状胶质细胞通过对称和不对称分裂生成神经元和中间祖细胞。中间祖细胞（IPs）主要位于脑室下区，具有更受限的发育潜能，主要通过神经源性分裂产生神经元。NSPC增殖由内在和外在机制的复杂相互作用协调。内在调控包括有丝分裂纺锤体定向、染色质重塑和谱系决定转录因子的表达。例如，对称与不对称分裂之间的平衡（分别对自我更新和分化至关重要）由有丝分裂纺锤体定向和细胞命运决定因子的极性分布关键塑造。来自神经干细胞微环境的外在信号——包括Notch、Wnt、Sonic Hedgehog（SHH）、成纤维细胞生长因子（FGF）和胰岛素样生长因子-I（IGF-I）——进一步调节NSPC行为。此外，与细胞外基质的相互作用和局部代谢状态在调控增殖能力和谱系特化中发挥关键作用。
3. NSPC增殖中的细胞周期调控
由于终末分化细胞已失去增殖能力，NSPC增殖缺陷可通过两种主要机制产生：细胞分裂的直接扰动或异常分化时机的间接扰动。因此，异常NSPC增殖通常源于损害细胞周期进程或分化调控的基因突变。适当且及时的细胞分裂通过细胞周期进程的协调调控紧密调节。在G1期，二倍体细胞准备DNA合成，该合成发生在S期。产生的四倍体细胞随后进入G2期，准备有丝分裂，最终在M期产生两个子细胞。响应第二节中描述的生长因子，MAPK和PI3K/mTOR信号通路被激活，导致Cyclin D的诱导。Cyclin D随后激活CDK4/6，这是进入S期和DNA复制所必需的。Cyclin D–CDK4/6活性进一步诱导Cyclin E，后者激活CDK2以驱动G1期进程。此后，Cyclin A–CDK2复合物通过激活复制机器在启动DNA复制中发挥关键作用，同时协调Cyclin B–CDK1复合物的及时激活，该复合物控制进入有丝分裂的进程。细胞周期持续时间是NSPC增殖和分化的关键决定因素。随着NSPCs向神经元分化推进，整体细胞周期延长，主要由于G1期延长。这种延长的G1期被认为至关重要，因为它为促进分化的命运决定因子的积累和活性提供了足够时间。一致地，通过CDK抑制剂实验性延长G1期驱动NSPC分化。相反，通过过表达Cyclin D或Cyclin E人工缩短G1期会延迟分化并维持NSPCs处于增殖、未分化状态。这些发现表明，不适当的细胞周期进程抑制可过早触发分化并耗竭NSPC池，从而促进NDDs的发病机制。
4. 神经发育障碍中NSPC增殖的损伤
异常细胞周期进程主要由关键细胞周期调节因子的表达失调驱动，这通常是信号通路破坏、转录因子活性异常和染色质重塑改变的结果。这些扰动共同损害NSPC增殖并损害正常脑发育。
4.1 遗传因素
4.1.1 信号通路
Notch信号是NSPC增殖的主要调节因子。配体（Jagged、Delta）激活后，Notch受体经历蛋白水解切割释放Notch胞内结构域（NICD），后者与RBPJ和MAML结合驱动靶基因转录，特别是Hes和Hey家族。Hes和Hey蛋白抑制促神经基因，从而维持NSPCs处于未分化状态并防止过早神经元分化。NOTCH2NL（编码Notch受体）和DLL1（编码Delta配体）的突变已在NDDs患者中被识别。重要的是，NOTCH2NL缺失与小头畸形相关，而重复导致巨头畸形。类似地，DLL1突变与小头畸形相关，强调了Notch信号在NSPC扩增中的关键作用。Wnt通路在调控NSPC增殖中也至关重要。Wnt结合Frizzled和LRP5/6招募Dishevelled（Dvl），将破坏复合物隔离在膜上并阻止β-catenin降解。稳定的β-catenin积累、转位至细胞核，并与TCF/LEF转录因子合作激活靶基因如Cyclin D，促进NSPC增殖。ZNRF3（Wnt信号的负调控因子，通过泛素化并灭活Frizzled）的致病性错义变异已在NDDs患者中被发现。聚集在RING结构域的变异损害Frizzled泛素化，导致过度Wnt活性、异常NSPC增殖和巨头畸形。相反，小头畸形相关ZNRF3变异定位于RSPO结合结构域，赋予对RSPO抑制的抗性，导致过度的Frizzled降解、Wnt信号减弱、NSPC增殖减少和小头畸形。SHH通路同样调控NSPC增殖。SHH结合PTCH1受体解除其对Smoothened（SMO）的抑制，从而激活SMO。激活的SMO促进GLI转录因子核转位，诱导增殖相关基因表达，包括Cyclin D和Cyclin E。一致地，SHH或PTCH1突变已在患有小头畸形NDDs的患者中被发现。FGF和IGF-I也关键调控NSPC增殖。这些配体与各自受体（分别为FGFR和IGF-IR）结合，激活共享的下游通路——RAS-MAPK（RAS → RAF → MEK → MAPK）和PI3K-mTOR（PI3K → AKT → mTOR）——这些通路已被最广泛表征。MAPK级联磷酸化转录因子，上调细胞周期驱动因子如Cyclin D，而mTOR通过降解ARF和抑制CDK抑制剂p21和p27促进进程。PI3K介导的PIP2磷酸化为PIP3激活AKT，而PTEN通过将PIP3去磷酸化回PIP2拮抗该通路，从而对NSPC增殖起刹车作用。这些信号通路与NDDs的病理相关性被大量遗传发现所强调：FGFR1、FGFR3、FGF8、IGF-1、IGF-IR和AKT3的功能丧失突变与小头畸形NDDs相关。相反，PTEN的功能丧失突变、Cyclin D2的稳定突变以及PI3K、AKT3和mTOR的激活突变与巨头畸形NDDs一致相关。
4.1.2 转录因子
除上述信号通路外，若干转录调节因子关键调节NSPC增殖。转录因子ARX的功能丧失与伴有小头畸形的NDDs相关。ARX缺失导致p57（Cip/Kip家族CDK抑制剂）上调，该因子通常被ARX抑制。这导致过早细胞周期退出和祖细胞池耗竭。此外，ARX缺失升高转录因子OLIG2的表达，后者反过来减少神经发生并导致整体脑大小减小。机制上，OLIG2过表达下调PAX6，PAX6是调控皮层祖细胞增殖和分化的关键转录因子。PAX6正向调控若干细胞周期促进基因，包括CDK2、CDK4和Cyclin E，从而在胚胎脑发育中增强NSPC增殖。一致地，PAX6复合杂合突变与人类小头畸形相关。有趣的是，PAX6也作为NSPC细胞周期进程的抑制因子，这由携带Pax6突变的小鼠或在发育神经元中条件性Pax6缺失的研究所证明。这种抑制效应可能由CDK6表达的抑制介导。支持证据包括PAX6结合Cdk6基因座周围的调控区域、急性Pax6缺失后Cdk6快速上调，以及CDK6抑制或基因敲除后NSPC增殖减少。一致地，CDK6突变与小头畸形相关。值得注意的是，PAX6同时通过激活神经源性基因表达促进神经元分化，表明其在平衡NSPC增殖和神经发生中的双重作用。实际上，来自Pax6突变小鼠的实验证据表明，Pax6缺失减少NSPC增殖，而Pax6过表达以牺牲祖细胞扩增为代价加速神经元分化。因此，PAX6的上调和下调最终汇聚于共同结果——小头畸形。这种敏感性部分通过其与神经源性转录因子（如Neurog2、Ascl1、Hes1）网络中的拮抗相互作用来管理。这些发现表明，PAX6看似矛盾的作用——既促进又抑制NSPC增殖——由背景依赖机制控制，包括基因剂量效应和与其他转录调节因子的相互作用。
4.1.3 染色质重塑因子
编码染色质重塑因子的CHD8突变与巨头畸形强烈相关，表明CHD8作为NSPC增殖的转录刹车。一致地，NDDs患者中常见的CHD8单倍体不足缩短细胞周期并增强NSPC增殖。这一表型归因于Cyclin E（S期进入的关键驱动因子）的上调。类似地，小鼠中种系Chd8单倍体不足加速NSPC增殖，伴随细胞周期相关基因的失调表达。尽管这些发现支持CHD8作为细胞增殖的负调控因子，但其他研究报道CHD8在细胞和个体水平上促进NSPC增殖。这些差异可能反映方法学差异，因为报道促增殖作用的研究主要使用mRNA敲低而非基因敲除模型，表明CHD8减少的程度关键影响NSPC结果。基因剂量效应也扩展到BAF（SWI/SNF）复合物的组分。ARID1A（也称为BAF250A）的重复与小头畸形相关。相反，ARID1B（也称为BAF250B）的单倍体不足同样导致小头畸形，暗示在NSPC增殖中的拮抗作用——ARID1A-BAF作为抑制因子，ARID1B-BAF作为激活因子。支持这一观点，小鼠NSPCs中条件性删除Arid1a增强增殖并上调细胞周期相关基因。相比之下，ARID1B在NSPC增殖中的作用仍 largely unexplored。尽管如此，Arid1b缺陷小鼠胚胎干细胞以及ARID1B单倍体不足的患者来源成纤维细胞表现出增殖减少，伴随CDC20（细胞周期进程的关键正调控因子）下调。ARID1B减少是否类似地减弱NSPC增殖仍是一个有待进一步研究的开放问题。另一个通过转录失调破坏NSPC增殖的基因是SETD5，一种表观遗传调控因子，调节rDNA转录和关键细胞周期蛋白（如Cyclin D）的翻译。SETD5单倍体不足导致rRNA合成减少和NSPC增殖受损。在人类中，SETD5杂合功能丧失突变导致一种称为IDD23（也称为MRD23）的神经发育障碍。有趣的是，致病性SETD5变异也在呈现KBG样表型的患者中被发现，这些综合征与KBG综合征表型重叠。另一种表观遗传调控因子ANKRD11的单倍体不足被认为是KBG综合征的主要遗传原因，表明ANKRD11与SETD5之间存在功能相互作用。支持这一观点，最近研究表明ANKRD11正向调控SETD5表达，从而维持翻译能力和神经元增殖——这些过程对于减轻NDD发病机制至关重要。值得注意的是，IDD23和KBG综合征患者频繁表现出小头畸形，强调了SETD5和ANKRD11介导的NSPC增殖控制在维持正常脑发育中的关键作用。
4.1.4 中心体和纺锤体蛋白
直接控制NSPC增殖的关键调控因子还包括中心体和纺锤体装置蛋白，如ASPM、CDK5RAP2、WDR62和MCPH1，这些基因的突变与人类小头畸形有因果关系。这些基因的缺陷破坏有丝分裂纺锤体定向并损害对称细胞分裂，导致祖细胞池过早耗竭和皮层大小减小。
4.2 环境因素
环境因素也能深刻影响NSPC增殖。母体寨卡病毒感染已被确认为后代先天性小头畸形和NDDs的原因。一致地，寨卡病毒感染破坏发育中小鼠脑以及人类三维脑类器官中的NSPC增殖。尽管许多细胞周期相关基因下调，但积累的证据表明，CDK1的过早激活和不合时宜的有丝分裂进入，以及中心体扩增，导致异常染色体分离，导致NSPC增殖缺陷和细胞死亡。这一级联被认为是寨卡病毒感染NSPCs中观察到的增殖缺陷的主要机制。宫内药物暴露也导致伴有小头畸形的NDDs。丙戊酸（VPA），一种广泛使用的抗癫痫和情绪稳定剂，已显示增加小头畸形NDDs的风险。小鼠实验研究表明，胚胎期暴露于VPA诱导小头畸形和类似NDDs的行为表型，排除了母体精神疾病本身导致观察到的异常的可能性。机制上，VPA暴露通过上调若干细胞周期抑制剂损害小鼠NSPC增殖。在人类脑类器官中，VPA处理后ARF（而非其他CDK抑制剂）显著诱导，表明ARF是NSPC增殖缺陷的关键介质。小头畸形NDDs的另一个环境及代谢风险因素是苯丙酮尿症（PKU），源于母体或先天性缺陷。大多数PKU病例由PAH（编码苯丙氨酸羟化酶，负责将苯丙氨酸转化为酪氨酸的酶）的致病性功能丧失变异引起。该缺陷导致血液和脑中苯丙氨酸水平升高。使用人类iPSC衍生脑类器官的研究表明，高苯丙氨酸浓度选择性地损害NSPC群体，而成熟神经元和胶质细胞基本不受影响，突出了NSPCs对代谢应激的高度脆弱性。转录组分析进一步显示，细胞周期进程必需基因的广泛下调，包括涉及S期的CDT1和MCMs，以及涉及M期的ASPM和CDK5RAP2。这些发现表明，由细胞周期调控缺陷驱动的NSPC增殖受损直接导致PKU中的小头畸形NDD。
5. 未来方向与治疗展望
越来越多的证据表明NSPC增殖缺陷在NDDs病因学中的作用，凸显了将机制见解转化为治疗策略的迫切需求。未来研究应旨在描绘不同基因突变、表观遗传失调和环境暴露如何在NSPCs中汇聚于共享的细胞周期和信号通路。单细胞转录组学、蛋白质组学和表观基因组学与脑类器官模型及体内系统的整合，将能够识别异常增殖背后的时间和谱系特异性脆弱性。这种高分辨率方法可能揭示NSPC调控中的共同“分子瓶颈”，提供可干预的靶点。细胞周期调控并非NSPCs所独有。值得注意的是，流行病学研究表明NDDs个体对各种癌症的易感性升高，约三分之一的NDD风险基因与癌症驱动基因重叠。这些发现表明NDD相关基因可能不仅影响神经干细胞群体，还影响其他干细胞群体。阐明NDD相关基因在不同干细胞类型中的作用将提供对其共享和细胞类型特异性功能以及不同干细胞谱系选择性脆弱性的更深入理解。从治疗角度，若干途径具有前景。核心信号级联（如Notch、Wnt、SHH和PI3K–mTOR）的药理学调节可恢复平衡的NSPC增殖，前提是干预措施需仔细滴定以避免加重低增生或高增生状态。CDKs的小分子抑制剂或通路特异性激动剂/拮抗剂是潜在候选药物，其中一些已在肿瘤学领域进行临床研究，可能被重新用于NDDs。表观遗传调控因子如CHD8、SETD5和ANKRD11，其功能障碍直接损害NSPC增殖，也是有吸引力的治疗节点，特别是随着染色质结构和转录机器的药理学调节剂不断扩展。然而，由于大多数NSPC增殖在出生前完成，直接产后药理学干预仍然具有挑战性。因此，NDD相关突变的产前基因诊断可能对NSPC靶向治疗策略的有效应用至关重要。除增殖外，NSPC生物学的其他方面对正常脑发育至关重要，其失调与NDDs有关。例如，由超过30个基因（包括若干微管蛋白和肌动蛋白基因）突变引起的NSPC异常迁移，导致皮层畸形和乱层化，产生与NDDs相关的平滑脑表面（无脑回畸形）。同样，神经元和胶质细胞谱系之间的分化平衡破坏导致异常突触形成、皮层回路组装和网络连接。总之，这些发现表明NSPC生物学的每个阶段——增殖、分化和迁移——的扰动都促进NDD发病机制。如本综述所述，这些过程与细胞周期进程密切相关。阐明它们的分子互连对于理解与NSPC功能障碍相关的NDD发病机制的复杂机制至关重要。希望本综述能激励该领域的研究人员解决这些关键知识空白。最终，未来努力将受益于连接发育神经生物学、干细胞生物学和转化神经科学的跨学科方法。通过弥合机制理解与治疗应用之间的差距，这些研究不仅有潜力发现疾病严重程度的预测性生物标志物，还能为NDDs的预防性和修复性干预奠定基础。未来的挑战是将NSPC生物学知识转化为切实可行的疗法，以改善受影响个体的神经发育轨迹和生活质量。
