哈佛大学和布罗德研究所的研究人员利用人类大脑的3D微型模型来增进对疾病的了解。

自闭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，三种不同的自闭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”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。

发表在《自然》杂志上的研究结果，让研究人员对自闭症谱系障碍有了更好的了解，也是寻找治疗方法的第一步。

该领域的很多努力都是为了了解与自闭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paola Arlotta说，她是哈佛大学Golub家族的干细胞和再生生物学教授，也是布罗德研究所斯坦利精神病学研究中心的成员。

阿洛塔实验室专注于人类大脑皮层的类器官模型，这部分大脑负责认知、知觉和语言。这些模型一开始是干细胞，然后生长成一个3D组织，其中包含许多皮层细胞类型，包括能够激活并连接到电路中的神经元。“2019年，我们发布了一种方法，可以生产具有独特生长能力的类器官。它们始终形成与发育中的人类大脑皮层相同类型、相同顺序的细胞，”阿洛塔实验室的高级博士后研究员、这项新研究的共同第一作者西尔维亚·贝拉斯科(Silvia Velasco)说。“现在看到类器官可以用来发现像自闭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。”

在这项新研究中，研究人员在三个自闭症风险基因中的一个产生了突变的类器官，这三个基因分别被命名为SUV420H1、ARID1B和CHD8。“我们决定从三个具有广泛假设功能的基因开始。它们没有一个清晰的功能，可以很容易地解释自闭症谱系障碍的情况，所以我们很有兴趣看看这些基因是否在以某种方式做类似的事情，”阿洛塔实验室的博士后研究员、联合第一作者布鲁纳·保尔森(Bruna paulsen)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，他们使用几种技术分析类器官:单细胞RNA测序和单细胞atac测序，以测量由每种疾病突变引起的基因表达的变化和调节;蛋白质组学测量蛋白质反应;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，从多个角度来解决一个复杂的问题，”合著者Joshua Levin说，他是斯坦利中心和布罗德研究所卡拉曼细胞天文台的科学家。

研究人员发现，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。同样，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组神经元，一组是抑制性的GABAergic神经元，另一组是兴奋性的，称为深层兴奋性投射神经元。这就指向了孤独症患者的特殊目标细胞。

“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。如果有些细胞形成得太早或太晚，就可能改变电路的最终连接方式，”阿洛塔实验室的前博士后研究员、联合第一作者玛蒂娜·皮戈尼(Martina pigoni)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。“我们的目标是观察类器官的变化如何受到个体独特遗传背景的影响，”阿洛塔实验室的计算生物学家、联合第一作者阿曼达·凯代格尔(Amanda Kedaigle)说。

当观察来自不同供体的器官时，神经发育的总体变化是相似的，但严重程度因人而异。这些风险基因的影响被供体基因组的其他部分微调过。

“令人费解的是，相同的自闭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可以使用类器官来解开这些不同的遗传贡献，并更接近于对这种复杂的病理的更全面的理解，”Arlotta说。

基因研究在识别与自闭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。困难的下一步的道路上发现新的治疗方法是理解这些突变做什么开发大脑,”史蒂文·海曼说,他是哈佛大学干细胞与再生生物学,杰出服务教授斯坦利中心主任广泛,和广泛的研究所的核心成员。“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。”