基于Bgee转录组数据的人类大脑各阶段神经元生长基因发育表达模式研究

《IBRO Neuroscience Reports》：Developmental Expression Patterns of Neuronal Growth Genes Across Human Brain Stages Using Bgee Transcriptomic Data

　　

人类大脑从出生前到衰老的成熟过程由高度调控的基因表达程序驱动，这些程序支持神经元分化、轴突生长和突触发育。尽管个别神经元生长相关基因已被研究，但关于它们在明确界定的人类生命阶段和主要脑区中如何变化的研究仍很有限。本研究利用Bgee v15数据库中的中枢神经系统转录组数据，评估了健康人类脑组织中GAP43、MAP1B、SEMA3B和GAL的发育表达轨迹。在排除年龄标注不精确的样本、无法归入特定脑区的全脑样本以及跨登录号重复样本后，433个样本被分为六个发育阶段：晚期胚胎、新生儿、青少年、成年初期、成年晚期和老年，并分别对前脑和后脑分区进行分析。采用Spearman相关评估表达与阶段之间的关系，并对log2(TPM+1)值进行单因素方差分析，随后进行Tukey事后检验和Benjamini–Hochberg校正以评估阶段间差异。表达轨迹因基因和脑区而异。GAP43表现出最强的年龄相关关联，呈中等程度负相关，在较早阶段表达较高。MAP1B呈现类似但较弱的下降趋势。SEMA3B与阶段呈中等正相关，而GAL表现出较弱但具有统计学意义的下降。前脑区域比后脑区域表现出更大的发育变异性，GAP43和MAP1B在生命早期达到峰值，而GAL和SEMA3B则表现出较温和且具有区域特异性的变化。神经元生长相关基因并不遵循统一的发育轨迹；表达模式具有基因特异性和区域依赖性，揭示了健康人类大脑中时间和解剖学上不同的转录程序。这些发现是描述性的，基于较小且不平衡亚组的后脑和性别分层比较属于探索性分析。

神经元生长基因在人类大脑发育中的表达模式是理解脑成熟机制和神经发育障碍病理的重要基础。GAP43、MAP1B、SEMA3B和GAL均与神经发育和疾病密切相关，但以往研究多基于动物模型、体外实验或特定脑区分析，缺乏系统跨生命阶段和全脑区域的研究。针对这一空白，研究人员利用Bgee v15数据库中的健康人类中枢神经系统转录组数据，严格筛选后纳入433个样本，将其划分为六个发育阶段（晚期胚胎、新生儿、青少年、成年初期、成年晚期、老年）和两个脑区（前脑、后脑），采用Spearman相关和log2(TPM+1)转换后的单因素方差分析（含Tukey事后检验和Benjamini–Hochberg校正）评估四个基因的表达轨迹。主要结论为：GAP43表达与发育阶段呈中等程度负相关（r=?0.49），早期高表达；MAP1B呈类似但较弱的下降趋势（r=?0.35）；SEMA3B呈中等正相关（r=0.34），随年龄增加而上升；GAL仅呈微弱但显著的负相关（r=?0.13）。前脑阶段间变异性大于后脑，GAP43和MAP1B在胚胎或新生儿期达到峰值，GAL和SEMA3B则在青少年和成年初期达到峰值。这些发现表明神经元生长相关基因的表达轨迹具有基因特异性和区域依赖性，并非统一模式，为后续神经发育和疾病时间窗口研究提供了描述性基础。该研究存在样本不均、批次效应未建模、描述性关联等局限性，但首次以阶段化视角整合了多基因、多脑区的表达模式。
研究人员使用的主要方法包括：从Bgee v15数据库获取健康人类中枢神经系统转录组数据（来源涵盖SRA和GEO登录号）；经过严格的样本纳入排除标准（排除年龄不精确、全脑不可分区样本及重复样本）；按人类神经发育文献和Bgee元数据将样本归类为六个发育阶段，并划分为前脑和后脑两个解剖分区；所有统计检验均在Python 3.12中完成，包括Shapiro–Wilk正态性检验、Spearman秩相关、点二列相关（用于性别）、单因素方差分析（对log2(TPM+1)转换值）、Tukey HSD事后检验以及Benjamini–Hochberg FDR多重比较校正，同时报告效应量（η2和均值差及95%置信区间）。
3.1 总体结果概览：不同基因与发育阶段的相关模式各异，GAP43和MAP1B呈负向趋势，SEMA3B呈正向趋势，GAL仅微弱下降；前脑阶段间差异比后脑更明显。
3.2 GAL表达趋势：全样本Spearman r=?0.13（p=0.009），与性别几乎无关（r=0.00）。前脑中，GAL在青少年和成年初期表达达到峰值，与胚胎期差异显著；成年初期显著高于成年晚期和老年期。后脑中所有配对比较均无显著差异。
3.3 GAP43表达趋势：全样本呈最强负向单调趋势（r=?0.49，p<0.001，r2≈0.24）。前脑在新生儿期达峰值，随后逐步下降；校正后，老年期显著低于胚胎期、青少年期和成年初期，成年晚期显著低于成年初期。后脑中胚胎期表达显著高于所有其他阶段，其余阶段间无显著差异。
3.4 MAP1B表达趋势：全样本中等负相关（r=?0.35，p<0.001，r2≈0.13）。前脑胚胎期最高并随后续阶段下降；校正后，胚胎期显著高于成年初期、成年晚期和老年期。后脑中胚胎期显著高于所有其他阶段，其余阶段间无显著差异。重新分析包括胚胎样品的完整数据集后未再现双峰模式，二次项未改善拟合（p=0.91）。
3.5 SEMA3B表达趋势：全样本中等正相关（r=0.34，p<0.001），表达随生命周期逐渐增加。后脑中，成年初期、成年晚期和老年期均显著高于胚胎期；前脑中，SEMA3B在青少年和成年初期达到峰值，与胚胎期差异显著，成年初期显著高于成年晚期。
在讨论部分，研究人员将上述表达轨迹与已有文献进行了对照解释。GAP43和MAP1B的早期高表达与它们在轴突生长和神经元迁移中的已知角色一致；GAL和SEMA3B的相对温和且区域特异性变化提示其更多参与突触调制和后期可塑性。研究还指出了若干局限性：依赖Bgee整合数据可能存在批次效应；区域和性别分组样本量不平衡（前脑389 vs后脑44；男性85.9%）；65%样本因年龄标注不精确被排除可能引入选择偏倚；所有分析均为描述性关联，不能推断因果关系。结论部分：总之，该研究提供了健康人类大脑中神经元生长基因表达的一种描述性、分期视角，这一视角在以往以动物模型和特定区域为主的研究中相对缺乏。未来整合单细胞转录组学、纵向研究和疾病队列的工作，将有助于确定偏离正常发育轨迹如何导致整个生命周期中的神经发育和神经退行性疾病。