的发展不可谓不迅猛,在刚刚过去的2021年,这一领域突破不断,作为先驱之一的Sergiu Paca教授团队近十年来一直致力于利用类器官研究大脑的发育和疾病, 早2021年2月,他们与加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Daniel Geschwind教授合作人类干细胞衍生的三维“迷你大脑”类器官的成熟方式与人类大脑的发育方式惊人地相似

大脑皮层的形成包含了胎儿时期谷氨酸能神经元(Glutamatergic neurons)的组装以及γ-氨基丁酸能中间神经元(GABAergic interneurons)在环路中的加入。谷氨酸能神经元产生于背侧前脑,而γ-氨基丁酸能中间神经元产生于腹部前脑,并最终迁移到大脑皮层。皮层中间神经元的迁移在啮齿动物中已经有比较详细的研究,具体来说可以分为以下的步骤:中间神经元的先导分支探出接下来被稳定,由先导分支提供的拉力和细胞后部的推力会引起各种细胞骨架的重新组装。这个过程被成为细胞核转位。但是和啮齿类动物不同的是,人类皮质中间神经元的移动不光发生在胎儿时期,也在出生后广泛发生。影响这一过程的基因扰动会导致大脑环路的错接,也会加重癫痫等脑部疾病。皮层中间神经元的的迁移被认为与LTCC(L-type calcium channel)功能相关,并且在很多神经疾病中也观察到了影响LTCC基因功能的基因变体,比如我们今天要说的主角,蒂莫西综合症就是由于CAVNA1C基因的一个获得性点突变(G406R)引起的。利用前期构建的脑部类器官,作者对该疾病的分子机理进行了一系列的探索。

作者利用从8位对照组以及3位TS患者获得的多能干细胞组合成了前脑组装体。之前的研究发现,在TS患者体内,中间神经元的迁移效率降低,主要表现在跳跃长度的减少和跳跃频率的增加。在添加不同的CaV1.2活性调节药物后,作者发现中间神经元的跳跃长度和跳跃频率很可能是由两种不同的分子机制控制的。

为了阐明其中的机理,作者先利用一系列高分辨率成像以及算法,确定了在TS患者的中间神经元的迁移中,细胞的推动力被特异性的破坏了。利用活细胞成像,作者进一步确定了LTCC介导的钙流可以改变中间神经细胞跳跃的长度,而不影响其跳跃的频率。而下游事件的MLCK磷酸化可以影响TS病人中间神经元的跳跃长度,同样不影响其跳跃频率,抑制其磷酸化,可以恢复这一表型,提示了我们这两个独立迁移过程中的事件(迁移长度和频率)是由TS CaV1.2 通道的下游分子同路决定的。那么既然者两个过程是独立的事件,另外一个事件即中间神经元的迁移频率事件是由什么控制的呢?作者用RNA-seq的方法,确定了GABA受体通路在其中发挥的作用。数据表明,GABA神经元传递通路、离子通道和膜电势相关通路的转录上调,可以引起依赖LTCC活性的相关转录事件的转录上调。

总之,作者发现两个不同的通路是TS患者中间神经元中低效迁移表型的基础:(1)通过LTCC的钙流入急剧调节肌动球蛋白功能并调节跳跃长度以及(2)GABA受体信号介导跳跃频率和整体运动性。

中间神经元迁移性的缺陷会破环皮质环路的形成并造成神经疾病,在之前的研究中,作者使用了来自蒂莫西综合症患者的皮质和腹侧前脑类器官的组合体,揭示了在L型钙通道CaV1.2上的一个功能获得性突变会造成中间神经元的迁移性缺陷。但是具体的分子机制并未得到解析。在这篇文章中,作者揭示了两个不同的通路是TS患者中间神经元中低效迁移表型的基础,该项工作也为我们提供了在疾病背景下恢复这些缺陷的策略。

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