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Science Advances:首次揭示应激颗粒调控基因与神经功能障碍疾病相关性

神经发育障碍(Neurodevelopmental disorders, NDDs)是一组在大脑发育阶段起病的复杂疾病,包括智力障碍、发育迟缓和自闭症谱系障碍等,严重影响儿童发育和身心健康。这类疾病的临床表型异质性高,病因复杂,导致早期诊断和干预十分困难。最近的外显子组测序研究在破译该疾病的遗传机制上取得了很大进展。不过,相当一部分患者的发病机制仍难以捉摸。

 

在大脑早期发育过程中,许多基因的表达受到严格的时空调控。若基因表达调控受到扰动,就有可能导致各种神经发育障碍。应激颗粒(Stress granule, SG)是真核细胞为了响应环境应激而生成的一种动态无膜细胞器,它们在基因表达调控中发挥重要作用。然而,应激颗粒的基因变异与神经发育障碍之间的关联尚不明确。

 

应激颗粒调控基因与神经功能障碍疾病相关性

图片来源:Science Advances

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7112

 

近日,中南大学和广西壮族自治区妇幼保健院领导的研究团队首次揭示了应激颗粒的关键调控基因与神经发育障碍之间的相关性。这项成果于8月17日发表在《Science Advances》杂志上。

 

研究材料与方法

在这项研究中,研究人员采用CRISPR-Cas技术构建了G3BP1/G3BP2/CAPRIN1/UBAP2L KO HeLa细胞系。同时,作者还委托赛业生物构建了神经特异性Ubap2l基因敲除小鼠,通过对Ubap2l KO小鼠进行了一系列行为测试,以评估UBAP2L在神经发育中的作用。此外,作者还对应激颗粒基因开展了功能富集分析和蛋白互作网络分析。

 

技术路线

01 UBAP2L新发变异引起神经功能障碍

02 Ubap2l KO小鼠出现行为问题和认知障碍

03 Ubap2l的缺失破坏小鼠的神经发生和应激颗粒组装

04 通过新发突变分析鉴定出29个之前未报道的神经功能障碍基因

05 证实新发现和已知的神经功能障碍基因干扰应激颗粒的形成

 

研究结果

1.UBAP2L变异引起神经功能障碍

通过国际多中心合作,研究人员共收集了12例带有UBAP2L新发基因突变的个体,该基因编码了应激颗粒形成的重要调控因子(图1)。所有带有UBAP2L新发基因突变的个体都出现了神经发育问题,比如语言问题、智力障碍、运动迟缓和各种行为问题。部分患者还出现了面部畸形的特征。这些数据表明,UBAP2L的结构性突变会引起新的神经功能障碍。

 

应激颗粒

图1 神经功能障碍患者携带的UBAP2L新发突变[1]

 

作为核心基因,UBAP2L在氧化应激等多种应激条件下调控了应激颗粒的形成。与健康个体相比,作者发现患者成纤维细胞中的应激颗粒显著减少。UBAP2L KO HeLa细胞系的结果也支持这一点,表明与神经功能障碍相关的UBAP2L变异破坏了应激颗粒的组装。

 

2.Ubap2l基因敲除小鼠出现认知障碍

为了探索UBAP2L在神经发育中的作用,研究人员委托赛业生物构建了神经特异性Ubap2l基因敲除(Ubap2l KO)小鼠模型。纯合缺失小鼠大多无法存活,而杂合小鼠在形态上无异常。通过一系列行为测试,作者发现杂合小鼠的社交新奇性受损,空间工作记忆异常,且焦虑样行为增加。这些结果显示,小鼠Ubap2l的单倍剂量不足会导致行为问题和认知障碍。

 

研究人员在对小鼠的脑部作进一步的病理学分析后发现,Ubap2l杂合敲除小鼠的皮层厚度变薄,神经元密度降低,表明Ubap2l的缺失会导致皮层发育和分层紊乱。在神经发生过程中,放射状胶质细胞通过不对称分裂产生中间祖细胞,这有助于新皮层的扩张。然而,Ubap2l的缺失会干扰放射状胶质细胞和中间祖细胞的增殖,从而破坏神经发生。

 

此外,作者还发现Ubap2l敲除小鼠胚胎期的应激颗粒强度和数量都下降,进一步表明在皮层发育过程中,Ubap2l缺失破坏了应激颗粒的组装(图2),提示应激颗粒形成紊乱可能是UBAP2L缺失导致神经发育障碍的病理机制。

 

应激颗粒

图2 Ubap2l敲除小鼠大脑中的应激颗粒形成受损[2]

 

3.与应激颗粒相关的神经功能障碍基因

为了研究应激颗粒形成紊乱是否是神经功能障碍的共同病理机制,研究人员又评估了应激颗粒相关基因在神经功能障碍基因中的富集。作者发现,应激颗粒基因和应激颗粒组装基因显著富集在神经功能障碍基因集中。当作者对应激颗粒核心基因进行分析时,富集信号变得更强。

 

通过对40853例神经功能障碍先证者携带的新发突变进行分析,作者共发现了29个之前未报道与神经功能障碍相关的应激颗粒基因,其新发突变率显著高于随机发生的概率,包括应激颗粒核心互作网络中的3个必需基因G3BP1、G3BP2和UBAP2L(图3)。

 

应激颗粒

图3 应激颗粒核心基因的蛋白互作网络[3]

 

最后,研究人员评估了新发现和已知的神经功能障碍基因在应激颗粒形成中的作用。作者构建了G3BP1或G3BP2 KO HeLa细胞系。在亚砷酸盐应激条件下,这两种KO细胞中的应激颗粒数量显著减少。值得注意的是,对于另一个已知的神经功能障碍基因CAPRIN1,作者发现该基因的一个错义突变完全破坏了其与G3BP1/2的结合,而这种结合对应激颗粒的形成很重要。这些数据进一步支持了应激颗粒形成紊乱是神经功能障碍的共同病理机制。

 

研究结论

总的来说,这项研究从遗传和功能的角度提供证据,证明应激颗粒的必需基因和神经功能障碍之间存在很大的相关性。同时,本研究还提供了26个之前未报道的神经功能障碍候选基因,供未来研究使用。考虑到胚胎暴露在环境应激源下会增加神经功能障碍的风险,应激颗粒有望作为一个重要的切入点来研究基因-环境互作带来的风险。

 

原文检索:

[1]Jia X, Zhang S, Tan S, et al. De novo variants in genes regulating stress granule assembly associate with neurodevelopmental disorders. Sci Adv. 2022 Aug 19;8(33):eabo7112. doi: 10.1126/sciadv.abo7112.

 

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