神經發(fā)育障礙（Neurodevelopmental disorders, NDDs）是一組在大腦發(fā)育階段起病的復雜疾病，包括智力障礙、發(fā)育遲緩和自閉癥譜系障礙等，嚴重影響兒童發(fā)育和身心健康。這類疾病的臨床表型異質性高，病因復雜，導致早期診斷和干預十分困難。最近的外顯子組測序研究在破譯該疾病的遺傳機制上取得了很大進展。不過，相當一部分患者的發(fā)病機制仍難以捉摸。

在大腦早期發(fā)育過程中，許多基因的表達受到嚴格的時空調控。若基因表達調控受到擾動，就有可能導致各種神經發(fā)育障礙。應激顆粒（Stress granule, SG）是真核細胞為了響應環(huán)境應激而生成的一種動態(tài)無膜細胞器，它們在基因表達調控中發(fā)揮重要作用。然而，應激顆粒的基因變異與神經發(fā)育障礙之間的關聯尚不明確。
 

圖片來源：Science Advances

近日，中南大學和廣西壯族自治區(qū)婦幼保健院領導的研究團隊首次揭示了應激顆粒的關鍵調控基因與神經發(fā)育障礙之間的相關性。這項成果于8月17日發(fā)表在《Science Advances》雜志上。

研究材料與方法
在這項研究中，研究人員采用CRISPR-Cas9技術構建了G3BP1/G3BP2/CAPRIN1/UBAP2L KO HeLa細胞系。同時，作者還委托賽業(yè)生物構建了神經特異性Ubap2l基因敲除小鼠，通過對Ubap2l KO小鼠進行了一系列行為測試，以評估UBAP2L在神經發(fā)育中的作用。此外，作者還對應激顆粒基因開展了功能富集分析和蛋白互作網絡分析。

技術路線

01 UBAP2L新發(fā)變異引起神經功能障礙

02 Ubap2l KO小鼠出現行為問題和認知障礙

03 Ubap2l的缺失破壞小鼠的神經發(fā)生和應激顆粒組裝

04 通過新發(fā)突變分析鑒定出29個之前未報道的神經功能障礙基因

05 證實新發(fā)現和已知的神經功能障礙基因干擾應激顆粒的形成

研究結果
1.UBAP2L變異引起神經功能障礙
通過國際多中心合作，研究人員共收集了12例帶有UBAP2L新發(fā)基因突變的個體，該基因編碼了應激顆粒形成的重要調控因子（圖1）。所有帶有UBAP2L新發(fā)基因突變的個體都出現了神經發(fā)育問題，比如語言問題、智力障礙、運動遲緩和各種行為問題。部分患者還出現了面部畸形的特征。這些數據表明，UBAP2L的結構性突變會引起新的神經功能障礙。
 

圖1 神經功能障礙患者攜帶的UBAP2L新發(fā)突變^[1]

作為核心基因，UBAP2L在氧化應激等多種應激條件下調控了應激顆粒的形成。與健康個體相比，作者發(fā)現患者成纖維細胞中的應激顆粒顯著減少。UBAP2L KO HeLa細胞系的結果也支持這一點，表明與神經功能障礙相關的UBAP2L變異破壞了應激顆粒的組裝。

2.Ubap2l基因敲除小鼠出現認知障礙
為了探索UBAP2L在神經發(fā)育中的作用，研究人員委托賽業(yè)生物構建了神經特異性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。通過一系列行為測試，作者發(fā)現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。這些結果顯示，小鼠Ubap2l的單倍劑量不足會導致行為問題和認知障礙。

研究人員在對小鼠的腦部作進一步的病理學分析后發(fā)現，Ubap2l雜合敲除小鼠的皮層厚度變薄，神經元密度降低，表明Ubap2l的缺失會導致皮層發(fā)育和分層紊亂。在神經發(fā)生過程中，放射狀膠質細胞通過不對稱分裂產生中間祖細胞，這有助于新皮層的擴張。然而，Ubap2l的缺失會干擾放射狀膠質細胞和中間祖細胞的增殖，從而破壞神經發(fā)生。

此外，作者還發(fā)現Ubap2l敲除小鼠胚胎期的應激顆粒強度和數量都下降，進一步表明在皮層發(fā)育過程中，Ubap2l缺失破壞了應激顆粒的組裝（圖2），提示應激顆粒形成紊亂可能是UBAP2L缺失導致神經發(fā)育障礙的病理機制。
 

圖2 Ubap2l敲除小鼠大腦中的應激顆粒形成受損^[2]

3.與應激顆粒相關的神經功能障礙基因
為了研究應激顆粒形成紊亂是否是神經功能障礙的共同病理機制，研究人員又評估了應激顆粒相關基因在神經功能障礙基因中的富集。作者發(fā)現，應激顆�；�因和應激顆粒組裝基因顯著富集在神經功能障礙基因集中。當作者對應激顆粒核心基因進行分析時，富集信號變得更強。

通過對40853例神經功能障礙先證者攜帶的新發(fā)突變進行分析，作者共發(fā)現了29個之前未報道與神經功能障礙相關的應激顆粒基因，其新發(fā)突變率顯著高于隨機發(fā)生的概率，包括應激顆粒核心互作網絡中的3個必需基因G3BP1、G3BP2和UBAP2L（圖3）。
 

圖3 應激顆粒核心基因的蛋白互作網絡^[3]

最后，研究人員評估了新發(fā)現和已知的神經功能障礙基因在應激顆粒形成中的作用。作者構建了G3BP1或G3BP2 KO HeLa細胞系。在亞砷酸鹽應激條件下，這兩種KO細胞中的應激顆粒數量顯著減少。值得注意的是，對于另一個已知的神經功能障礙基因CAPRIN1，作者發(fā)現該基因的一個錯義突變完全破壞了其與G3BP1/2的結合，而這種結合對應激顆粒的形成很重要。這些數據進一步支持了應激顆粒形成紊亂是神經功能障礙的共同病理機制。

研究結論
總的來說，這項研究從遺傳和功能的角度提供證據，證明應激顆粒的必需基因和神經功能障礙之間存在很大的相關性。同時，本研究還提供了26個之前未報道的神經功能障礙候選基因，供未來研究使用。考慮到胚胎暴露在環(huán)境應激源下會增加神經功能障礙的風險，應激顆粒有望作為一個重要的切入點來研究基因-環(huán)境互作帶來的風險。

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：
KOCMP-74383-Ubap2l-B6N-VA

產品編號：
S-KO-14401

應用方向：
生殖系統、增長/尺寸/體型、死亡/衰老、生理系統、發(fā)育生物學

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：
CKOCMP-74383-Ubap2l-B6N-VA

產品編號：
S-CKO-15983

應用方向：
生殖系統、增長/尺寸/體型、死亡/衰老、生理系統、發(fā)育生物學

打靶方案：