研究顯示自閉癥基因之間隱藏的生物學(xué)關(guān)系

強大的青蛙胚胎模型在保護(hù)風(fēng)險基因和雌激素方面發(fā)揮了新的作用。

美國加州大學(xué)舊金山分校和加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家對自閉癥風(fēng)險基因進(jìn)行的一項新研究表明，自閉癥譜系障礙(ASD)的發(fā)展將破壞產(chǎn)前神經(jīng)發(fā)生，在此過程中，特化的“祖細(xì)胞”將產(chǎn)生新的腦細(xì)胞。這項研究還表明，雌激素(可能在腦細(xì)胞中產(chǎn)生)可以防止這種損傷，并在正常發(fā)育過程中引導(dǎo)大腦。

這項研究中最引人注目的發(fā)現(xiàn)是發(fā)表在《神經(jīng)元》上的實驗，這是一項利用西方爪蛙(Xenopustropicis)胚胎的實驗，因其對發(fā)育的獨特見解而受到生物學(xué)家的重視。

與人類發(fā)育相關(guān)的人類基因在非洲爪蟾體內(nèi)具有相似的功能，廣泛的研究將人類胚胎的發(fā)育階段與青蛙的發(fā)育階段聯(lián)系起來，這意味著非洲爪蟾的基因研究可能與人類健康和疾病的發(fā)展直接相關(guān)。

UCSF神經(jīng)科學(xué)研究所博士后研究員海倫蘭金威爾西博士說：“非洲爪蟾一直是發(fā)育生物學(xué)的基石，原因有很多，我們對人類大腦發(fā)育的許多了解都是基于對青蛙的基礎(chǔ)研究。”合著者馬修w斯塔特，醫(yī)學(xué)博士，美國加州大學(xué)舊金山分校教授(奧伯多夫家族杰出人物)，UCSF精神病學(xué)和行為科學(xué)系主任。

“青蛙大腦的發(fā)育與人類非常相似，許多塑造人類大腦的相同基因、蛋白質(zhì)和分子在發(fā)育中的青蛙大腦中也具有相同的功能。這些因素使非洲爪蟾成為一個有吸引力的物種，有助于加深我們對神經(jīng)發(fā)育障礙的理解。”

結(jié)合基因在發(fā)育過程中的影響。

近十年來，人類基因組的分析(包括國家和他的同事領(lǐng)導(dǎo)的許多人類)已經(jīng)確定了與ASD密切相關(guān)的基因突變，從而使科學(xué)家能夠收集到幾十個“高置信度”基因的列表，這些基因給這些基因的發(fā)展帶來了極大的風(fēng)險不平衡。隨著對這些基因如何、何時、何地在大腦中發(fā)揮重要作用的了解越來越多，自閉癥研究人員已經(jīng)開始拼湊自閉癥的可能問題。

許多已知的突變發(fā)生在已知有助于突觸(即腦細(xì)胞之間的通訊位點)的形成和功能的基因中，并且還影響哪些基因最終被翻譯成蛋白質(zhì)的正確排列。然而，這些結(jié)論是基于來自不同和不完整來源的數(shù)據(jù)。這些眾所周知的風(fēng)險基因可能在大腦發(fā)育的不同時期參與不同的功能。

作為對這些想法的直接測試，為了確定是否有可能忽略受這些突變影響的其他發(fā)育過程，這項新研究的第一作者威爾塞轉(zhuǎn)向非洲爪蟾，并將國家實驗室與著名發(fā)育生物學(xué)家理查德、加州大學(xué)伯克利分校遺傳學(xué)、基因組學(xué)和發(fā)育教授哈蘭德博士整合在一起。尊敬的李教授和Jeremy Willsey博士，神經(jīng)退行性疾病研究所和精神病學(xué)與行為科學(xué)系助理教授，系統(tǒng)生物學(xué)方法、神經(jīng)發(fā)育障礙學(xué)科帶頭人。

海倫威爾西(Helen Willsey)和她的研究團隊首先選擇了迄今為止在人類身上發(fā)現(xiàn)的“十大ASD風(fēng)險基因”，然后進(jìn)行實驗，評估在發(fā)育過程中激活青蛙大腦中青蛙等價物的位置和時間。他們發(fā)現(xiàn)，這10個基因在青蛙前腦中的表達(dá)都處于與人類產(chǎn)前發(fā)育相對應(yīng)的階段，這與State和這項研究的共同資深作者State和Jeremy Willsey在2013年進(jìn)行的自閉癥風(fēng)險基因的計算和分析非常一致。紙。

并排比較

非洲爪蟾雌性一次能產(chǎn)4000多個卵，這些卵很快發(fā)育成兩細(xì)胞胚胎，肉眼就足以看到。利用高通量CRISPR基因打靶技術(shù)，Helen Willsey的研究團隊依次對10個基因中的每一個進(jìn)行了突變，但只有一個雙細(xì)胞胚胎發(fā)生了突變——有了這項技術(shù)，任何由基因修飾引起的發(fā)育差異都只會發(fā)生在大腦的一半，而另一半會正常發(fā)育。

輕松比較大腦兩半的能力清楚地表明，在大腦中基因被禁用的一側(cè)，大小有顯著差異——當(dāng)一些基因發(fā)生突變時，受影響的那一半更大，而其他的則更小。然而，細(xì)胞和分子工作表明，所有這些大小差異都是由于神經(jīng)發(fā)生的傾向，這反映在前腦腦室祖細(xì)胞、腦細(xì)胞前體和成熟神經(jīng)元的非典型比例上。

因為研究人員對復(fù)原力(一種克服ASD基因影響的方法)和風(fēng)險同樣感興趣，他們在非洲爪蟾胚胎中測試了130多種藥物化合物。其中之一與雌激素有關(guān)，雌激素恢復(fù)了一種典型的神經(jīng)發(fā)生方式，使動物兩側(cè)的大腦大小相匹配。相反，當(dāng)測試另外兩種抑制雌激素途徑的化合物時，神經(jīng)發(fā)生受到更嚴(yán)重的損害。在研究團隊測試的雌激素發(fā)育階段，非洲爪蟾沒有性腺，因此Willesee認(rèn)為雌激素是在大腦而不是性器官中局部產(chǎn)生的，在發(fā)育過程中可以保護(hù)其免受神經(jīng)發(fā)生的干擾。

雌激素相關(guān)化合物的保護(hù)作用也在人類神經(jīng)祖細(xì)胞株和人類神經(jīng)中觀察到

祖細(xì)胞系中，各種ASD風(fēng)險基因已通過特殊的CRISPR技術(shù)被抑制，在類似修飾的人腦類器官中，科學(xué)家使用了3D細(xì)胞簇研究組織和器官的發(fā)育。

威爾西說，由于許多不同基因的獨立作用，雌激素具有逆轉(zhuǎn)神經(jīng)發(fā)生和大腦大小的不同作用的能力，應(yīng)該使人們放心，在該領(lǐng)域中，基因發(fā)現(xiàn)的迅速步伐導(dǎo)致人們擔(dān)心，自閉癥患者可能太過復(fù)雜而無法應(yīng)對與療法。

盡管如此，雌激素對發(fā)育過程中的性別分化有深遠(yuǎn)的影響，Willsey的研究小組表明，它通過稱為Sonic刺猬的主要信號傳導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)生，該途徑在從大腦發(fā)育到四肢形成的所有過程中都起著至關(guān)重要的作用。她說，研究小組將雌激素鑒定為保護(hù)因子，僅應(yīng)被認(rèn)為是可以指導(dǎo)最終開發(fā)更安全，更有針對性的治療方法的科學(xué)依據(jù)。

威爾西說：“已經(jīng)有許多已證實的ASD基因，想出要在廣泛人群中有效的療法是一個棘手的問題。” “但是這項工作支持了我們可以解決這個問題的想法。這些基因做不同的事情，運轉(zhuǎn)不同的齒輪，但是我們的發(fā)現(xiàn)最終指向了ASD病理學(xué)的一個關(guān)鍵聯(lián)系，并揭示了一個以前隱藏的生物聯(lián)系，這些聯(lián)系將高度不同的基因組聯(lián)系起來。”