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《自然》:自闭症端脑组装体致病基因影响神经发育 抑神障

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发表于 2023-10-1 13:52:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
《自然》:为自闭症研究提供新突破!端脑组装体与CRISPR筛选结合揭示致病基因如何影响神经发育

抑制性γ-氨基丁酸能中间神经元(简称抑制性神经元)障。  抑神障。

学术经纬

2023/09/29
论文
论文标题:Assembloid CRISPR screens reveal impact of disease genes in human neurodevelopment
作者:Meng, Xiangling, Yao, David, Imaizumi, Kent, Chen, Xiaoyu, Kelley, Kevin W., Reis, Noah, Thete, Mayuri Vijay, Arjun McKinney, Arpana, Kulkarni, Shravanti, Panagiotakos, Georgia, Bassik, Michael C., Pașca, Sergiu P.

期刊:Nature
发表时间:2023/09/27
数字识别码:10.1038/s41586-023-06564-w
摘要:The assembly of cortical circuits involves the generation and migration of interneurons from the ventral to the dorsal forebrain1,2,3, which has been challenging to study at inaccessible stages of late gestation and early postnatal human development4. Autism spectrum disorder and other neurodevelopmental disorders (NDDs) have been associated with abnormal cortical interneuron development5, but which of these NDD genes affect interneuron generation and migration, and how they mediate these effects remains unknown. We previously developed a platform to study interneuron development and migration in subpallial organoids and forebrain assembloids6. Here we integrate assembloids with CRISPR screening to investigate the involvement of 425 NDD genes in human interneuron development. The first screen aimed at interneuron generation revealed 13 candidate genes, including CSDE1 and SMAD4. We subsequently conducted an interneuron migration screen in more than 1,000 forebrain assembloids that identified 33 candidate genes, including cytoskeleton-related genes and the endoplasmic reticulum-related gene LNPK. We discovered that, during interneuron migration, the endoplasmic reticulum is displaced along the leading neuronal branch before nuclear translocation. LNPK deletion interfered with this endoplasmic reticulum displacement and resulted in abnormal migration. These results highlight the power of this CRISPR-assembloid platform to systematically map NDD genes onto human development and reveal disease mechanisms.
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摘要翻译(由计算机程序完成,仅供参考,内容以英文原文为准):
皮层回路的组装涉及中间神经元从腹侧前脑1,2,3的产生和迁移,这在妊娠晚期和出生后早期人类发育的难以接近的阶段一直具有挑战性4。自闭症谱系障碍和其他神经发育障碍(NDD)与皮质中间神经元发育异常有关5,但这些NDD基因中的哪些影响中间神经元的生成和迁移,以及它们如何介导这些影响尚不清楚。我们之前开发了一个平台来研究中间神经元在亚球形类器官和前脑组件中的发育和迁移6。在这里,我们将组装体与CRISPR筛选相结合,以研究425个NDD基因在人类中间神经元发育中的作用。第一次针对中间神经元生成的筛选揭示了13个候选基因,包括CSDE1和SMAD4。随后,我们在1000多个前脑组装体中进行了中间神经元迁移筛选,确定了33个候选基因,包括细胞骨架相关基因和内质网相关基因LNPK。我们发现,在中间神经元迁移过程中,内质网在细胞核移位之前沿着主要的神经元分支移位。LNPK缺失干扰了这种内质网移位并导致异常迁移。这些结果突出了这种CRISPR组装体平台系统地将NDD基因映射到人类发育和揭示疾病机制的能力。

所属学科:
神经医学
▎药明康德内容团队


神经发育性疾病,尤其是自闭症,是儿童期最常见的疾病之一,然而迄今为止仍然没有有效的治疗方法。几十年的科学研究揭示了自闭症具有极强的遗传基础,并且已经确认数百个基因的突变可能导致自闭症。然而,至今我们对自闭症的病因机制仍然了解有限。

在我们的大脑皮层中,抑制性γ-氨基丁酸能中间神经元(简称抑制性神经元)是除兴奋性神经元之外的另一类重要神经元。它们在胚胎发育中后期腹侧端脑产生,然后迁移到背侧端脑,可以通过释放神经递质γ-氨基丁酸,避免兴奋性神经元的过度激活。两类神经元共同组成了神经网络中的兴奋-抑制平衡,一旦平衡被打破,则可能与神经系统疾病产生关联。

此前的研究已经在自闭症患者的大脑标本中,发现了抑制性神经元数量和形态的变化。这引发了科学家对抑制性神经元受损是否是自闭症的一个关键病因的猜测。然而,在已知与自闭症相关的数百个基因中,确定哪些与抑制性神经元的发育相关,以及它们如何调控这一过程一直是一个巨大的挑战。

其中的一个难点在于,人类的抑制性神经元发育延续到出生后的一两年。这种延长的抑制性神经元发育被认为有助于提高人类大脑的认知能力,但常作为实验模型的啮齿类动物却不具备这样的发育过程,因此科学家们需要寻找模拟人类抑制性神经元发育的全新手段。

在一项最新发表于《自然》杂志的研究中,斯坦福大学Sergiu Pașca教授领导的团队结合人类端脑组装体与CRISPR筛选技术,揭示了致病基因在人类抑制性神经元发育中的作用,并为理解神经发育性疾病的机制、寻找治疗方案奠定了基础。Pașca实验室博士后孟祥玲为论文第一作者。


“在神经科学研究中,研究人员很少有机会利用功能完整的人类脑组织进行实验,因此我们对于神经系统功能和神经疾病机制的大部分了解都来自动物模型,这长期以来一直限制了我们寻找有效治疗人类疾病的药物,” 孟祥玲博士介绍道,“然而,由人诱导的人类全能干细胞分化出的类脑器官和端脑组装体为我们提供了具有一定功能的人类脑组织,解决了长期以来无法使用人类神经细胞研究人类神经系统疾病的问题。结合CRISPR筛选技术,研究人员能够同时研究数百甚至更多致病基因的功能,从而全面了解疾病的治病机理,为深入探索疾病机制提供了新的途径。”

为了模拟人类抑制性神经元的发育过程,孟祥玲博士将诱导的人类全能干细胞诱导分化成类似腹侧端脑细胞的三维结构,形成腹侧端脑类器官。这些腹侧端脑类器官可以与背侧端脑类器官融合成端脑组装体,模拟抑制性神经元从腹侧端脑迁移到背侧端脑的过程。通过结合CRISPR筛选技术,研究团队揭示了与神经发育性疾病相关的425个基因在抑制性神经元发育中的作用。


▲对神经发育性疾病相关基因的CRISPR筛选揭示了调控人类抑制性神经元生成与迁移的基因(图片来源:参考资料[1])

具体来说,他们在第一项筛选实验中发现13个基因对抑制性神经元的生成有影响,其中包括CSDE1和SMAD4。这两个基因的敲除会阻碍腹侧端脑的细胞分化过程。

在第二项筛选实验中,研究者利用1000多个端脑组装体筛选发现33个基因影响抑制性神经元迁移到背侧端脑的过程。其中一个名为LNPK的基因引起了特别关注。进一步研究表明,敲除LNPK后,抑制性神经元从腹侧端脑迁移到背侧端脑的数量显著减少,并且它们的迁移速度也减慢。

LNPK编码一种稳定内质网结构的蛋白质——Lunapark,而内质网在抑制性神经元迁移过程中的作用一直鲜有研究。通过荧光标记内质网,孟祥玲博士及合作者揭示了在抑制性神经元迁移时,内质网首先沿着移动方向迁移,然后才是细胞核的迁移。然而,在LNPK敲除的细胞中,这种内质网迁移现象显著减少,伴随的是抑制性神经元每次迁移的距离缩短。


▲LNPK的敲除抑制了内质网迁移现象(图片来源:参考资料[1])

Pasca教授团队的工作不仅强调了内质网和Lunapark在抑制性神经元迁移中的重要作用,同时也证明了通过将人类端脑组装体与CRISPR筛选技术相结合,我们可以同时研究数百甚至更多致病基因在特定大脑发育时期的作用。这项研究为自闭症等神经发育性疾病的治疗和预防提供了有力的理论基础。

参考资料:
[1] Meng, X., Yao, D., Imaizumi, K. et al. Assembloid CRISPR screens reveal impact of disease genes in human neurodevelopment. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06564-w


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文章标签
抑制性神经元
神经系统疾病
人类端脑组装体
CRISPR筛选技术
致病基因

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06564-w

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