新研究揭示导致神经发育障碍的分子机制

7月1日，《自然-通讯》刊发了广州国家实验室研究员姚红杰团队与合作者最新成果。他们综合运用小鼠模型和人源类器官模型，揭示了染色质架构蛋白CCCTC结合因子（简称CTCF）的精氨酸567突变为色氨酸（R567W）点突变通过调控CTCF在染色质上的结合和局部三维基因组结构，进而导致神经发育障碍的分子机制。该发现为理解CTCF突变导致临床发育疾病提供了重要见解。

相关成果示意图。研究团队供图

记者获悉，中国科学院广州生物医药与健康研究院为该论文第一完成单位。研究团队首先在小鼠模型中引入CTCF-R567W点突变，以模拟其对发育的影响。结果显示，CTCF-R567W杂合突变小鼠除了幼年时期的瘦小表型外，与野生型小鼠相比没有明显异常，未能很好地模拟临床杂合病例的神经发育障碍行为表型；而携带纯合CTCF-R567W突变的小鼠在出生30分钟内死亡，并表现出大脑、心肺组织的发育异常。研究团队对纯合突变小鼠进行深入研究，发现纯合突变导致神经发育和突触通路紊乱，并揭示纯合突变导致神经祖细胞和放射状胶质细胞等干性细胞过早耗竭，而抑制性GABA能神经元加速发育。

研究团队同时将CTCF-R567W突变引入人胚胎干细胞中，并构建了大脑皮质类器官模型。研究人员发现携带杂合突变的类器官在分化早期表现出神经祖细胞减少和GABA能神经元增加，具有与小鼠模型类似的神经发育失衡现象。这一发现与近期在多个自闭症风险基因的皮质类器官研究中的报道结果相一致，表明CTCF突变可能与自闭症风险因子通过共享的细胞发育通路诱发神经发育障碍。

在分子机制层面上，研究团队发现CTCF-R567W突变减弱了CTCF在染色质上部分位点的结合（尤其是在具有上游结合基序特征的位点）。这种结合减弱进一步导致了局部染色质结构重组，特别是在对神经元身份识别和神经回路组装至关重要的成簇原钙黏蛋白（cPcdh）基因座。该基因座由Pcdhα、Pcdhβ和Pcdhγ三个基因簇构成。

CTCF-R567W突变主要导致Pcdhβ基因簇多个基因启动子上的CTCF结合减弱，并通过降低远距离启动子与增强子相互作用进而改变了cPcdh基因座的染色质高级结构，使该基因座拓扑相关结构域结构发生分裂，同时伴随着Pcdhβ基因的全局性表达下调，而这些基因的表达异常与神经发育及功能受损密切相关。

该研究阐明了CTCF-R567W突变的作用机制，揭示了CTCF-R567W突变与人类神经发育障碍之间的联系，对理解CTCF突变调节发育障碍的发病机制具有重要意义，并为进一步探索基于三维染色质结构调控的干预方法奠定了基础。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49684-1