《自然》重磅：不同的孤独症风险基因对大脑发育的影响相同

显微镜下的脑类器官图像显示神经元前体（洋红色）和深层投射神经元（绿色），它们是受孤独症风险基因突变影响的细胞类型之一。资料来源：哈佛大学的PaolaArlotta实验室和麻省理工学院的KwanghunChung实验室。

总结研究人员发现，三种不同的孤独症风险基因实际上影响着神经元发育的相似方面和相同的神经元类型，尽管每种基因都通过独特的分子机制发挥作用。此外，一个人特定的基因组背景微调了基因的作用。这项研究是使用人类大脑皮层的微型3D模型进行的，大脑皮层是负责认知、感知和语言的部分。该研究结果促进了我们对孤独症谱系障碍的理解，也是寻找治疗方法的第一步。

孤独症谱系障碍与数百种不同的基因有关，但这些不同的基因突变如何在患者身上形成类似的病理仍然是个谜。现在，哈佛大学、麻省理工学院和哈佛大学的布罗德研究所的研究人员发现，三种不同的孤独症风险基因实际上影响着神经形成的类似方面，以及人脑发育过程中相同类型的神经元。通过在被称为“脑类器官”（brainorganoids）的人脑微型3D模型中测试基因突变，研究人员发现了每个风险基因的类似整体缺陷，尽管每个基因都通过独特的潜在分子机制发挥作用。

这项发表在今年2月份的《自然》杂志上的研究结果，让研究人员对孤独症谱系障碍有了更好的了解，也是寻找治疗方法的第一步。

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“该领域的很多努力都是为了了解与孤独症相关的许多风险基因是否存在共性。发现这些共同特征可能突出了广泛的治疗干预的共同目标，独立于疾病的遗传起源。我们的数据显示，多种疾病突变确实集中在影响相同的细胞和发育过程，但通过不同的机制。这些结果鼓励了未来针对调节共同功能失调大脑特性的治疗方法的研究。”该研究的资深作者PaolaArlotta说，她是哈佛大学干细胞和再生生物学Golub家族教授，也是布罗德研究所斯坦利精神病学研究中心的成员。

Arlotta实验室专注于人类大脑皮层的类器官模型，大脑中负责认知、感知和语言的部分。这些模型从干细胞开始，然后成长为包含许多皮层细胞类型的3D组织，包括能够激活并连接到回路中的神经元。“2019年，我们发布了一种允许生产具有独特可重复生长能力的类器官的方法。它们始终以与发育中的人类大脑皮层相同的顺序形成相同类型的细胞，”SilviaVelasco说，他是Arlotta实验室的高级博士后研究员，也是这项新研究的共同主要作者。“现在看到类器官可以用来发现像孤独症这样复杂的疾病的一些意想不到的和非常新的东西，这是一个梦想成真。”

Arlotta和同事们利用来自两名非孤独症个体和四种已存在的细胞系的重新编程干细胞来制造类器官。他们改造了这些细胞使其携带ARID1B、CHD8或SUV420H1的功能缺失突变。

“我们决定从三个具有广泛假设功能的基因开始。它们没有明确的功能可以轻松解释孤独症谱系障碍中发生的事情，因此我们有兴趣了解这些基因是否以某种方式在做类似的事情，”Arlotta实验室的博士后研究员和共同主要作者BrunaPaulsen说。

研究人员在几个月的时间里培育了这些类器官，密切模拟了人类大脑皮层形成的渐进阶段。然后他们用几种技术分析了类器官：测量每种疾病突变引起的基因表达的变化和调控的单细胞RNA测序和单细胞ATAC测序；测量蛋白质反应的蛋白质组学；钙成像检查分子变化是否反映在神经元及其网络的异常活动中。

“这项研究只有在几个实验室的合作下才有可能，每个实验室都有自己的专长，从多个角度解决一个复杂的问题，”共同作者、斯坦利中心和布罗德研究所克拉曼细胞观测台的研究所科学家JoshuaLevin说。

对照组的类器官相比，大多数携带任何一种基因突变的类器官更早发育出GABA能神经元。那些SUV420H1突变的类器官也提前发育了深层兴奋性神经元，而这些神经元在ARID1B类器官中发育较晚。在CHD8类器官中，深层兴奋细胞准时发育。

研究小组在对钙离子进入细胞的流动进行成像后发现，携带SUV420H1突变的类器官具有非典型的低水平自发神经元活动，这表明类器官发育的改变影响了神经回路的功能。

研究人员发现，特定突变的影响在很大程度上取决于用于制造类器官的细胞的基因组成：例如，一个携带ARID1B突变的细胞株没有过早发育成GABA能细胞。但是，当改造成携带突变的SUV420H1时，同样的细胞系显示出GABA能细胞的早期强劲增长。这一发现与研究人员在人类身上看到的结果多样性相吻合，即相同的突变可能导致一个人具有显著的特征，而另一个人具有较温和的特征。

风险基因都以相似的方式影响神经元，要么加速，要么减缓神经发育。换句话说，神经元在错误的时间发育。此外，并不是所有的细胞都受到影响——相反，风险基因都影响了相同的两类神经元，一种是抑制性的GABA能神经元，另一种是兴奋性的，称为深层兴奋性投射神经元。这指向可能是孤独症特殊靶向的选定细胞。

“大脑皮层以一种非常协调的方式形成：每种类型的神经元都在特定的时刻出现，而且它们很早就开始连接。如果与正常情况相比，有些细胞形成得太早或太晚，就可能改变回路的最终连接方式。”Arlotta实验室的前博士后研究员和共同主要作者MartinaPigoni说。

除了测试不同的风险基因外，研究人员还利用来自不同捐赠者的干细胞制造出了类器官。“我们的目标是看看类器官的变化可能会受到个体独特的遗传背景的影响，”Arlotta实验室的计算生物学家和共同主要作者AmandaKedaigle说。

当观察由不同供体制成的类器官时，神经发育的整体变化是相似的，但严重程度因人而异。风险基因的影响由供体基因组的其余部分微调。

“令人费解的是，相同的孤独症风险基因突变在患者身上往往表现出不同的临床表现。我们发现，不同的人类基因组环境可以调节类器官疾病表型的表现，这表明，我们可能在未来能够使用类器官来解开这些不同的遗传贡献，并更接近于更全面地了解这种复杂的病理。”Arlotta说。

“遗传学研究在确定与孤独症谱系障碍和其他神经发育状况相关的基因组变化方面取得了巨大成功。发现新疗法的艰难下一步是准确了解这些突变对发育中的大脑有何影响。”哈佛大学干细胞和再生生物学杰出服务教授、布罗德斯坦利中心主任、布罗德研究所核心成员StevenHyman说。“通过绘制存在基因变异时大脑回路的变化，我们可以朝着更好的诊断和发现治疗探索的新途径迈出试探性的下一步。”

这项研究得到了斯坦利精神病学研究中心、麻省理工学院和哈佛大学、美国国立卫生研究院、克拉曼细胞观测台和霍华德·休斯医学研究所的支持。其中一个细胞系(HUES66CHD8)是在西蒙斯基金会和美国国立卫生研究院的支持下创建的。