神經(jīng)發(fā)育障礙（Neurodevelopmental disorders, NDDs）是一組在大腦發(fā)育階段起病的復(fù)雜疾病，包括智力障礙、發(fā)育遲緩和自閉癥譜系障礙等，嚴(yán)重影響兒童發(fā)育和身心健康。這類疾病的臨床表型異質(zhì)性高，病因復(fù)雜，導(dǎo)致早期診斷和干預(yù)十分困難。最近的外顯子組測(cè)序研究在破譯該疾病的遺傳機(jī)制上取得了很大進(jìn)展。不過，相當(dāng)一部分患者的發(fā)病機(jī)制仍難以捉摸。

在大腦早期發(fā)育過程中，許多基因的表達(dá)受到嚴(yán)格的時(shí)空調(diào)控。若基因表達(dá)調(diào)控受到擾動(dòng)，就有可能導(dǎo)致各種神經(jīng)發(fā)育障礙。應(yīng)激顆粒（Stress granule, SG）是真核細(xì)胞為了響應(yīng)環(huán)境應(yīng)激而生成的一種動(dòng)態(tài)無膜細(xì)胞器，它們?cè)诨�因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。然而，應(yīng)激顆粒的基因變異與神經(jīng)發(fā)育障礙之間的關(guān)聯(lián)尚不明確。
 

圖片來源：Science Advances

近日，中南大學(xué)和廣西壯族自治區(qū)婦幼保健院領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)首次揭示了應(yīng)激顆粒的關(guān)鍵調(diào)控基因與神經(jīng)發(fā)育障礙之間的相關(guān)性。這項(xiàng)成果于8月17日發(fā)表在《Science Advances》雜志上。

研究材料與方法
在這項(xiàng)研究中，研究人員采用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建了G3BP1/G3BP2/CAPRIN1/UBAP2L KO HeLa細(xì)胞系。同時(shí)，作者還委托賽業(yè)生物構(gòu)建了神經(jīng)特異性Ubap2l基因敲除小鼠，通過對(duì)Ubap2l KO小鼠進(jìn)行了一系列行為測(cè)試，以評(píng)估UBAP2L在神經(jīng)發(fā)育中的作用。此外，作者還對(duì)應(yīng)激顆粒基因開展了功能富集分析和蛋白互作網(wǎng)絡(luò)分析。

技術(shù)路線

01 UBAP2L新發(fā)變異引起神經(jīng)功能障礙

02 Ubap2l KO小鼠出現(xiàn)行為問題和認(rèn)知障礙

03 Ubap2l的缺失破壞小鼠的神經(jīng)發(fā)生和應(yīng)激顆粒組裝

04 通過新發(fā)突變分析鑒定出29個(gè)之前未報(bào)道的神經(jīng)功能障礙基因

05 證實(shí)新發(fā)現(xiàn)和已知的神經(jīng)功能障礙基因干擾應(yīng)激顆粒的形成

研究結(jié)果
1.UBAP2L變異引起神經(jīng)功能障礙
通過國(guó)際多中心合作，研究人員共收集了12例帶有UBAP2L新發(fā)基因突變的個(gè)體，該基因編碼了應(yīng)激顆粒形成的重要調(diào)控因子（圖1）。所有帶有UBAP2L新發(fā)基因突變的個(gè)體都出現(xiàn)了神經(jīng)發(fā)育問題，比如語言問題、智力障礙、運(yùn)動(dòng)遲緩和各種行為問題。部分患者還出現(xiàn)了面部畸形的特征。這些數(shù)據(jù)表明，UBAP2L的結(jié)構(gòu)性突變會(huì)引起新的神經(jīng)功能障礙。
 

圖1 神經(jīng)功能障礙患者攜帶的UBAP2L新發(fā)突變^[1]

作為核心基因，UBAP2L在氧化應(yīng)激等多種應(yīng)激條件下調(diào)控了應(yīng)激顆粒的形成。與健康個(gè)體相比，作者發(fā)現(xiàn)患者成纖維細(xì)胞中的應(yīng)激顆粒顯著減少。UBAP2L KO HeLa細(xì)胞系的結(jié)果也支持這一點(diǎn)，表明與神經(jīng)功能障礙相關(guān)的UBAP2L變異破壞了應(yīng)激顆粒的組裝。

2.Ubap2l基因敲除小鼠出現(xiàn)認(rèn)知障礙
為了探索UBAP2L在神經(jīng)發(fā)育中的作用，研究人員委托賽業(yè)生物構(gòu)建了神經(jīng)特異性Ubap2l基因敲除（Ubap2l KO）小鼠模型。純合缺失小鼠大多無法存活，而雜合小鼠在形態(tài)上無異常。通過一系列行為測(cè)試，作者發(fā)現(xiàn)雜合小鼠的社交新奇性受損，空間工作記憶異常，且焦慮樣行為增加。這些結(jié)果顯示，小鼠Ubap2l的單倍劑量不足會(huì)導(dǎo)致行為問題和認(rèn)知障礙。

研究人員在對(duì)小鼠的腦部作進(jìn)一步的病理學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，Ubap2l雜合敲除小鼠的皮層厚度變薄，神經(jīng)元密度降低，表明Ubap2l的缺失會(huì)導(dǎo)致皮層發(fā)育和分層紊亂。在神經(jīng)發(fā)生過程中，放射狀膠質(zhì)細(xì)胞通過不對(duì)稱分裂產(chǎn)生中間祖細(xì)胞，這有助于新皮層的擴(kuò)張。然而，Ubap2l的缺失會(huì)干擾放射狀膠質(zhì)細(xì)胞和中間祖細(xì)胞的增殖，從而破壞神經(jīng)發(fā)生。

此外，作者還發(fā)現(xiàn)Ubap2l敲除小鼠胚胎期的應(yīng)激顆粒強(qiáng)度和數(shù)量都下降，進(jìn)一步表明在皮層發(fā)育過程中，Ubap2l缺失破壞了應(yīng)激顆粒的組裝（圖2），提示應(yīng)激顆粒形成紊亂可能是UBAP2L缺失導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育障礙的病理機(jī)制。
 

圖2 Ubap2l敲除小鼠大腦中的應(yīng)激顆粒形成受損^[2]

3.與應(yīng)激顆粒相關(guān)的神經(jīng)功能障礙基因
為了研究應(yīng)激顆粒形成紊亂是否是神經(jīng)功能障礙的共同病理機(jī)制，研究人員又評(píng)估了應(yīng)激顆粒相關(guān)基因在神經(jīng)功能障礙基因中的富集。作者發(fā)現(xiàn)，應(yīng)激顆粒基因和應(yīng)激顆粒組裝基因顯著富集在神經(jīng)功能障礙基因集中。當(dāng)作者對(duì)應(yīng)激顆粒核心基因進(jìn)行分析時(shí)，富集信號(hào)變得更強(qiáng)。

通過對(duì)40853例神經(jīng)功能障礙先證者攜帶的新發(fā)突變進(jìn)行分析，作者共發(fā)現(xiàn)了29個(gè)之前未報(bào)道與神經(jīng)功能障礙相關(guān)的應(yīng)激顆粒基因，其新發(fā)突變率顯著高于隨機(jī)發(fā)生的概率，包括應(yīng)激顆粒核心互作網(wǎng)絡(luò)中的3個(gè)必需基因G3BP1、G3BP2和UBAP2L（圖3）。
 

圖3 應(yīng)激顆粒核心基因的蛋白互作網(wǎng)絡(luò)^[3]

最后，研究人員評(píng)估了新發(fā)現(xiàn)和已知的神經(jīng)功能障礙基因在應(yīng)激顆粒形成中的作用。作者構(gòu)建了G3BP1或G3BP2 KO HeLa細(xì)胞系。在亞砷酸鹽應(yīng)激條件下，這兩種KO細(xì)胞中的應(yīng)激顆粒數(shù)量顯著減少。值得注意的是，對(duì)于另一個(gè)已知的神經(jīng)功能障礙基因CAPRIN1，作者發(fā)現(xiàn)該基因的一個(gè)錯(cuò)義突變完全破壞了其與G3BP1/2的結(jié)合，而這種結(jié)合對(duì)應(yīng)激顆粒的形成很重要。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持了應(yīng)激顆粒形成紊亂是神經(jīng)功能障礙的共同病理機(jī)制。

研究結(jié)論
總的來說，這項(xiàng)研究從遺傳和功能的角度提供證據(jù)，證明應(yīng)激顆粒的必需基因和神經(jīng)功能障礙之間存在很大的相關(guān)性。同時(shí)，本研究還提供了26個(gè)之前未報(bào)道的神經(jīng)功能障礙候選基因，供未來研究使用。考慮到胚胎暴露在環(huán)境應(yīng)激源下會(huì)增加神經(jīng)功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)激顆粒有望作為一個(gè)重要的切入點(diǎn)來研究基因-環(huán)境互作帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

原文檢索：

[1]Jia X, Zhang S, Tan S, et al. De novo variants in genes regulating stress granule assembly associate with neurodevelopmental disorders. Sci Adv. 2022 Aug 19;8(33):eabo7112. doi: 10.1126/sciadv.abo7112.
 

Ubap2l基因敲除小鼠

品系名稱：
C57BL/6N-Ubap2l^em1Cya

品系編號(hào)：
KOCMP-74383-Ubap2l-B6N-VA

產(chǎn)品編號(hào)：
S-KO-14401

應(yīng)用方向：
生殖系統(tǒng)、增長(zhǎng)/尺寸/體型、死亡/衰老、生理系統(tǒng)、發(fā)育生物學(xué)

打靶方案：

Ubap2l條件性基因敲除小鼠

品系名稱：
C57BL/6N-Ubap2l^em1(flox)Cya

品系編號(hào)：
CKOCMP-74383-Ubap2l-B6N-VA

產(chǎn)品編號(hào)：
S-CKO-15983

應(yīng)用方向：
生殖系統(tǒng)、增長(zhǎng)/尺寸/體型、死亡/衰老、生理系統(tǒng)、發(fā)育生物學(xué)

打靶方案：