Cell Rep｜王晓群团队利用双皮质蛋白基因敲除雪貂揭示大脑皮层发育的神经机制

脑声常谈

2024-08-07 08:42发布于上海科普领域创作者

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撰文︱尹崇海，王伟

审阅︱王晓群

责编︱王思珍

平滑脑畸形（Lissencephaly）是一种与基因相关联的大脑异常，在人类患者中主要表现为大脑表面失去沟回结构变得光滑，伴随着包括癫痫、肌肉痉挛、发育迟缓一认知障碍等多种并发症。双皮质蛋白（Doublecortin，DCX）是导致人类平滑脑和皮质下带异位疾病的一种主要蛋白[1-2]。由于常用啮齿类动物模型本身的大脑并无沟回结构，因此目前没有合适的动物模型能够正确模拟人类患者的疾病表型；虽然前期研究人员在啮齿类动物中做了大量工作发现了DCX在神经细胞迁移过程中的作用[3-5]，但是由于人类患者和啮齿类动物模型之间表型的差异，人们对DCX在脑发育及疾病产生中是否还有其他功能作用的了解依旧不足。

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近期，北京师范大学王晓群教授课题组在Cell Reports上发表了题为“DCX knockout ferret reveals a neurogenic mechanism in cortical development”的文章，文章利用DCX敲除雪貂模型阐明了DCX在神经发生、沟回产生中的新功能；并通过高通量转录组和空间组技术揭示了平滑脑畸形突变在细胞分子层面的变化，为我们深入了解大脑沟回发生及平滑脑畸形疾病提供了新的认知。（拓展阅读：王晓群课题组相关研究进展，详“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Nat Genet︱董骥/尚从平/王晓群/张礼标合作揭示哺乳动物超声感知的分子机制；eLife︱单细胞测序和神经环路分析联合揭示大脑启动攻击/防御本能行为的分子遗传编码机制）

早在2015年，王晓群研究组与高绍荣院士课题组在世界上第一次利用CRISPR/CAS9系统构建出了DCX基因敲除雪貂[6]；经过多年的回交繁育，目前课题组成功获得了DCX基因敲除雪貂品系。在本研究中，研究团队对不同发育阶段的DCX基因敲除雪貂大脑皮层进行了全面的研究，在细胞、分子水平上揭示了DCX在调控神经发生过程中的功能，并通过高通量转录组和空间转录组技术阐明平滑脑畸形突变在大脑结构，细胞组成的变化及产生癫痫的神经机制。

由于DCX基因位于X染色体上，因此该基因的突变体具有性别的差异，该研究结果显示DCX突变体雪貂可以完全模拟其在人类中的表型，在雄性半合子突变中表现为平缓脑畸形，在雌性杂合子中表现为皮层下异位（图1）。

图1. DCX敲除雪貂完美模拟人类患者中性别差异表型。

与大多数哺乳动物不同，雪貂在出生后其大脑皮层的神经发生依然存在，并且其大脑的褶皱在P7时才渐渐明显。基于这些特征，在该研究中研究团队对P0和P7时期的雪貂进行了详细的研究。与啮齿类不同，DCX蛋白在雪貂和灵长类大脑皮层的神经干细胞中具有特异的表达，DCX的功能缺失后能够导致神经前体细胞的过度增殖，从而造成了神经细胞的增加；进一步研究人员发现在DCX突变后辐射状胶质细胞基底端投射纤维结构的缩短，这是造成神经细胞无法正常迁移的原因之一。该研究结果拓展了DCX在胚胎发育中的功能，并且提供了小鼠和人之间DCX表型差异原因和根据（图2）。

图2. 敲除DCX后影响雪貂神经前体细胞的增殖和辐射状胶质细胞基底端投射纤维结构

通过高通量单细胞转录组和空间组学测序技术，研究团队首次绘制了平滑脑疾病的细胞图谱，结果显示平滑脑畸形大脑中神经元细胞的分层结构发生了紊乱；与野生型动物相比，在突变体中形成了浅层神经细胞（superficial layer）在下，深层神经细胞（deep layer）在上的几乎颠倒的排列模式，伴随着癫痫病症有关分子信号特征的改变（图3）。

图3. 单细胞转录组和空间组学揭示DCX敲除平滑脑雪貂的空间及分子变化

此外，研究团队通过免疫荧光染色，空间转录组技术发现在野生型个体中从中间神经节隆起（MGE）产生的中间神经元趋向于定位于皮层的深层，而从尾部神经节隆起（CGE）产生的中间神经元倾向于定位于皮层的浅层；在突变体中这一空间定位也发生了反转，这一结果提示面GABA能抑制性神经元在皮层中的分布与谷氨酸能兴奋性神经元之间存在着一种细胞类型特异性的关联模式（图4）。

图4. DCX雪貂模型揭示抑制性神经元和兴奋性神经元的细胞类型特异性关联模式

文章结论与讨论，启发与展望

这项研究构建出能够从形态学和病理学双重角度全面概括和模拟人类患者病症的动物模型，系统地从表型、细胞结构和信号特征等方面对DCX基因敲除雪貂的大脑皮层进行研究，证明了DCX不仅在神经元中发挥着作用，也能够调节神经前体细胞的增殖。同时也揭示了抑制性神经元与兴奋性神经元之间的伴随迁移模式的存在。关于抑制性神经元和兴奋性神经元的空间定位的分子机制目前知之甚少，深入利用该模型我们期望在后续的工作中可以阐明抑制性神经元在皮层中空间定位的机制。

王晓群教授为本研究的通讯作者，王晓群研究团队长期从事脑发育、衰老及疾病的研究；近年来研究团队在Nature，Science，Cell stem cell，Cell research等杂志上发表多篇高水平文章。该研究获得了国家重点研发专项，科技创新2030，国家自然科学基金，中科院青年团队以及新基石研究项目的支持。

参考文献

1.des Portes, V., Francis, F., Pinard, J.M., Desguerre, I., Moutard, M.L., Snoeck, I., Meiners, L.C., Capron, F., Cusmai, R., Ricci, S., et al. (1998). doublecortin is the major gene causing X-linked subcortical laminar heterotopia (SCLH). Hum. Mol. Genet. 7, 1063–1070. https://doi.org/10.1093/ hmg/7.7.1063.

2.Gleeson, J.G., Allen, K.M., Fox, J.W., Lamperti, E.D., Berkovic, S., Scheffer, I., Cooper, E.C., Dobyns, W.B., Minnerath, S.R., Ross, M.E., and Walsh, C.A. (1998). Doublecortin, a brain-specific gene mutated in human X-linked lissencephaly and double cortex syndrome, encodes a putative signaling protein. Cell 92, 63–72. https://doi.org/10.1016/s0092- 8674(00)80899-5.

编辑︱王思珍

本文完

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