胚胎发育过程中大脑形态和蛋白质组的重塑方式，以及它们与细胞代谢的关系，可能是阐明某些神经发育障碍的病理机制的关键。源自自闭症谱系障碍(ASD)患者的大脑类器官以捕获神经元发育中的关键时间点，并研究代谢和蛋白质表达。ASD的遗传力约为80%，因此了解导致ASD的基因/蛋白质非常重要。
今年5月，南丹麦大学临床研究系精神病学系Mirolyuba Ilieva研究团队在Molecular Psychiatry 发表研究，利用ASD特异性大脑类器官来捕获关键的发育时间点，在ASD的胚胎脑重塑过程中对脑蛋白质组表型进行分子检查。
该工作是首次尝试使用稳定同位素(13C) 标记的葡萄糖绘制功能代谢图，以追踪大脑类器官中葡萄糖的代谢命运并同时测量蛋白质组学。
源自ASD患者的大脑类器官表现出异常的生长和细胞增殖，ASD患者大脑类器官在18个月内保持细胞完整性。类器官表现出皮质分层、室下区和脑室区的形成、细胞群的多样性，包括神经元祖细胞、神经元和星形胶质细胞。与健康对照相比，ASD衍生的类器官大小显著增加，细胞增殖显著升高。
不同发育时间点大脑类器官形态学变化的蛋白质组学表型和代谢变化
1、 源自ASD患者的大脑类器官表现出异常的生长和细胞增殖
ASD衍生的大脑类器官中有氧糖酵解与氧化磷酸化之间的不同动态关系
利用13C富集分析研究了α-酮戊二酸衍生的谷氨酸、谷氨酰胺和 GABA 以及草酰乙酸衍生的天冬氨酸，自闭症谱系障碍患者和健康对照组的比较显示没有显着的组间差异。只是在第68天观察到ASD组中TCA循环代谢物的有轻微（不显着）下降。
总的来说，在糖酵解或TCA循环中间体中由13C标记的葡萄糖，在对照和ASD衍生的大脑类器官之间没有变化。功能代谢分析，ASD衍生的大脑类器官在第39天的最大ATP产生显著降低，葡萄糖利用转变为处于静息状态的乳酸生产，线粒体呼吸链活性降低，并且第39天的能量状态降低[Fig.2]。
2、来自ASD患者和对照的大脑类器官中的葡萄糖代谢
蛋白质组学分析揭示了ASD大脑类器官中几种通路、生物过程和细胞成分的差异
通过可视化富集分析发现蛋白质与分子功能之间的关联。对于生长39天的类器官，发现39种蛋白质在ASD患者衍生的类器官中表达不同，注释到3种信号通路——有丝分裂核分裂、细胞连接组织和粘附连接组织。
ASD衍生的生长100天的类器官发现17种蛋白质被注释为3种细胞成分——核仁部分、90s前核糖体和前核糖体。由于在第39天观察到患者和对照大脑类器官之间蛋白质组学特征的主要差异，因此研究人员专注于这个时间点，并对十个样本（四名自闭症患者和六名对照）进行了概念验证Hyperplex分析。
确定了10种可能有助于区分这些组的蛋白质，并被定义为特发性ASD的潜在生物标志物[Fig.3]。分别是Ser15磷酸化的热休克蛋白27(hsp27)在ASD衍生的大脑类器官中上调。下调的蛋白质是Pyk(FAK2)、Elk-1、Rac1/cdc42、S6核糖体蛋白磷酸Ser 240/Ser 244、Ha-ras、mTOR(FRAP)磷酸Ser 2448、PKCα、FoxO3a、Src家族磷酸Tyr 416。
层次聚类分析，在本研究中，作者研究了不同发育时间点大脑类器官形态学变化的蛋白质组学表型和代谢变化。旨在找出早期内哪些变化可能导致发展为自闭症表型，确定了10种在ASD衍生的类器官中不同表达的蛋白质，它们可能是ASD生物标志物有希望的候选物。
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