Nature：自闭症发病的复杂性——致病基因在共同神经元类别的非同步发育上趋同
自闭症谱系疾病（ASD）是一种儿童期发病的神经发育障碍，其特征为认知、运动和感觉障碍。ASD受遗传因素影响，可能有数百个致病基因。此外，相同的突变可导致不同的临床表现，可能反映了整体遗传和表观遗传背景的调节作用。导致这一庞大而异质的基因集合汇聚形成ASD表型特征的共同发育影响因素目前仍不为人所知。
近期发表在Nature上的研究工作发现SUV420H1、ARID1B和CHD8这三个ASD遗传风险研究热点基因的突变共同体现在共同的神经元类别的非同步发育，而不是具有共同的的分子机制。
ASD表现程度因风险基因和表型的不同而不同，突出了遗传变异和产生ASD表型表现的基因组背景之间细微的相互作用。
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皮质类器官作为ASD风险基因模型
为了研究不同的ASD风险基因的突变是否会共同体现在共同的表型上，作者从不同的人类诱导多能干细胞系（iPS）中培养产生了皮质类器官。这些类器官被验证可启动适当的神经发育并表达已知的ASD风险基因。
接下来选择了三个ASD风险基因，SUV420H1、ARID1B和CHD8，并在多个亲代品系中设计了杂合子蛋白截断缩减突变，目标是患者体内发生突变的蛋白结构域。
SUV420H1突变器官的非同步发育
作者使用单细胞RNA测序对SUV420H1+/-和对照组Mito294、PGP1和Mito210类器官的早期阶段进行分析，发现突变体在所有背景中都显示出一致的GABA能神经元的存在。尽管这些细胞系在过早产生GABA能神经元这一表型上趋于一致，但每个细胞系的遗传和表观遗传背景会调节表型的表现力。
神经元类的加速成熟
通过对深层投射神经元进行拟时分析以及染色质可及性的变化，发现在SUV420H1+/-类器官中，GABA能神经元和深层投射神经元都表现出加速发育，而且基因组背景在调节影响不同细胞类型的表型异常上有差异。
自发性神经回路活动减少
GABA能神经元和深层投射神经元的早期发育异常，以及突触相关基因的表达和可及性的变化，促使作者去研究神经回路活动。使用腺相关病毒驱动GCaMP来记录完整4个月类器官的细胞内钙动态，发现除了在突变体类器官中观察到的分子和细胞变化外，SUV420H1+/-基因型也能诱发神经回路活动的长期异常（图1）。
ARID1B和SUV420H1具有共同的目标群体
通过单细胞RNA测序对1个月的两个独立分化的单个Mito210 ARID1B+/-和对照组类器官进行分析。与SUV420H1+/-类器官类似，ARID1B+/-类器官既表现出GABA能神经元系过早扩增，又表现出深层投射神经元的非同步发育的表型。
值得注意的是，与SUV420H1+/-类器官一样，这两种表型在ARID1B+/-类器官的不同亲代系中被不同程度地调节（图2）。
图2
CHD8+/-基因型促进中间神经元发育
为了进一步验证ASD风险基因之间的趋同表型的假设，作者在3.5个月时对HUES66 CHD8+/-和对照组类器官进行了分析，发现突变体的GABA能中间神经元及其祖细胞的数量增加。
对3.5个月的HUES66 CHD8+/-和对照组类器官中的GABA能系（从放射状胶质细胞发育到GABA能中间神经元）的拟时分析分析显示，在发育轨迹的终点处，突变体细胞的分布有所增加。
因此，与SUV420H1+/-和ARID1B+/-基因型相似，CHD8+/-基因型导致GABA能系的加速发育，并且CHD8会导致这些细胞类型的比重持续增加。对于这三个风险基因来说，这种表型发生在多个亲代系中，但表型表现的程度不同（图3）。
图3
通过不同的机制实现趋同
比较了表现较强表型的细胞系（Mito210 SUV420H1, Mito210 ARID1B and HUES66 CHD8）中三个ASD风险基因的基因表达变化，发现虽然三个基因的突变体在改变神经发育过程方面有一定程度的趋同，但它们影响的基因基本不同（图4）。
对突变体和对照组单个类器官的全蛋白组质谱分析发现三个风险基因影响了共同的过程，尽管是通过对不同蛋白的调节失调。
图4
总 结
作者发现，不同的ASD风险基因在神经元发育非同步的表型上趋于一致，但在分子靶点水平上大多存在差异，这表明这些基因的共同临床病理可能来自神经元分化和神经回路的高阶过程。这些结果鼓励今后针对调控共同的功能失调的神经回路特性的治疗方法进行研究，而非仅仅针对共同的分子途径。
参考文献
Paulsen, B., Velasco, S., Kedaigle, A.J. et al. Autism genes converge on asynchronous development of shared neuron classes. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04358-6
编译作者：Amber（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）