影响大脑发育严重程度的潜力基因

前脑无裂畸形(HpE)影响着每1000个未出生婴儿中的1到4个，当前脑的大脑半球不能分裂或只部分分裂时就会发生。这是人类最常见的前脑畸形，与面部畸形有关，如唇裂、腭裂或眼睛非常靠近，甚至两个眼球合并在一起。大多数受影响的胎儿在子宫内死亡。

HpE的确切原因尚未完全了解。除了环境污染和准妈妈的疾病，遗传因素也会起作用——包括所谓的Sonic Hedgehog (SHH)信号通路的基因突变。这一通路控制着胚胎器官和神经系统的发育。基因缺陷和LRp2(一种SHH共受体)功能的丧失，导致大脑缺陷，其表现形式非常不同。“我们想知道为什么这种疾病的严重程度差异如此之大，”Annette Hammes博士说。“虽然有些患者没有或只有轻微的症状，但其他人不得不带着严重的畸形生活——即使这两名患者彼此有亲戚关系，因此我们可以假设这种疾病是由相同的基因突变引起的。”

长期以来，研究人员一直认为，有一些基因会对这种畸形产生积极的影响，甚至完全阻止这种畸形。Hammes实验室团队现在已经确定了两种新的候选者:“ULK4和pTTG1，也被称为securin，”该研究的联合主要作者Nora Mecklenburg博士说，她在研究时是Hammes实验室的博士后研究员。ULK4是迄今为止与精神分裂症和双相情感障碍有关的基因，而pTTG1主要研究与癌症有关。在《Development》杂志上，科学家们解释了这些蛋白质如何恢复受损的SHH通路。这项研究历时九年，该杂志将其归类为“研究亮点”。

但这一结果也部分归因于偶然。多年来，Hammes和她的团队一直在与Thomas Willnow教授领导的MDC实验室一起研究LRp2突变的小鼠。“我们知道LRp2在胚胎早期发育过程中影响神经管的形成，神经系统就是在这个基础上发展起来的，”神经科学家解释道。如果没有LRp2, SHH通路就不能被充分激活，神经管的畸形就会在怀孕的早期阶段发生——通常会导致流产。当科学家将常用的黑涂层小鼠品系（简称“黑6”）的LRp2突变体与另一种白涂层小鼠品系杂交时，结果非常令人惊讶：白涂层的后代没有出现任何大脑或面部畸形——尽管SHH共受体LRp2发生了突变。研究小组得出结论认为，一定存在影响SHH途径的未知因素，并着手寻找这些因素。

为了做到这一点，Mecklenburg首先培育了不同的小鼠品系，并检查了动物的疾病特征、信号通路和基因组成。她和她的共同作者Franziska Witte以及Izabela Kowalczyk (Hammes的博士生)一起，用高通量的方法对不同菌株的胚胎细胞的RNA进行了测序和分析。这三位科学家发现，尽管有着相似的基因组序列，这些细胞却有着完全不同的转录组——这意味着对基因的解读非常不同。Mecklenburg说:“在胚胎发育的早期阶段，两种野生鼠系之间甚至存在如此大的差异，这真的让我们感到惊讶。”

研究人员进行了进一步的研究，发现在白衣LRp2突变体以及该菌株的野生型中，包括ULK4和pTTG1在内的某些基因与黑6小鼠相比明显上调。为了观察这是否会影响SHH通路，他们将这些基因引入了缺乏LRp2功能的细胞中。“我们能够看到它们显著促进Sonic Hedgehog信号通路，”Kowalczyk说。他们的结论是:“在小白鼠祖先的LRp2突变体中产生了更多的ULK4和pTTG1。它们弥补了缺失的LRp2，恢复了一个足够强的SHH通路，并防止畸形的发生。”这一发现为疾病基因ULK4和pTTG1提供了一个全新的视角:虽然高水平的表达可以在成人器官中引发疾病，但它们实际上可以积极地影响胚胎的发育。科学家们还能够确定这些因素放大SHH通道的位置——神经上皮细胞的天线状突起，这些细胞排列在神经管内部。

Hammes说:“我们已经确定了这些调节小鼠SHH通路的候选基因，这一事实使我们对前脑无裂畸形和其他遗传疾病的认识更进一步。有了这些知识，我们甚至可能找到一种方法来预防它们。”但在那之前还有很长的路要走，她的团队的下一步是探索新发现的SHH通路修饰物的作用——不仅在胚胎发育中，而且在成人大脑中。科学家们已经在神经元的细胞骨架中找到了pTTG1，这是细胞质中的一种蛋白质网络，使细胞具有稳定性。该团队目前正在研究该基因在这个位置扮演什么角色。

DOI

https://doi.org/10.1242/dev.199307