染色質(zhì)重塑在小兒神經(jīng)發(fā)育障礙中的遺傳學(xué)機制進(jìn)展

陳方冰 綜述 周文浩 審校

（1.復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院新生兒科，上海 201102；2.上海市出生缺陷防治重點實驗室/復(fù)旦大學(xué)兒童發(fā)育與疾病轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究中心/衛(wèi)生部新生兒疾病重點實驗室/復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院，上海 201102）

神經(jīng)發(fā)育障礙（neurodevelopmental disorders）是一組早期發(fā)病、具有高度遺傳異質(zhì)性的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括孤獨癥譜系障礙、智力障礙和語言障礙等[1]，全球兒童患病率約為3%。隨著全基因組測序和全外顯子測序的應(yīng)用，已鑒定出許多神經(jīng)發(fā)育障礙相關(guān)基因，截至2021年1月16日，共報道5 468個突變位點，包括857個致病性基因位點（ClinVar數(shù)據(jù)庫，https://www.ncbi.nlm.nih.gov/clinvar/），涉及眾多表觀遺傳調(diào)控基因。從神經(jīng)干細(xì)胞分化成神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，再到神經(jīng)元遷移和神經(jīng)環(huán)路形成，神經(jīng)發(fā)育的關(guān)鍵時間點表觀遺傳均有參與，并通過遺傳變異機制對基因表達(dá)造成持久影響，最終導(dǎo)致疾病發(fā)生。

真核生物基因表達(dá)調(diào)控是多層次、精細(xì)化的過程，轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控始于染色體的活化。靜止?fàn)顟B(tài)DNA高度折疊形成異染色質(zhì)，阻礙相應(yīng)部位轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄起始，染色質(zhì)重塑因子與其催化亞基形成染色質(zhì)重塑復(fù)合物，依賴ATP水解產(chǎn)生的能量，改變核小體的裝配、排列，從而改善染色質(zhì)局部DNA的可及性，啟動基因轉(zhuǎn)錄。此外，染色質(zhì)重塑還參與甲基化修飾、翻譯后修飾等重要生物活動[2]。按照染色質(zhì)重塑復(fù)合物催化亞基的不同結(jié)構(gòu)域，復(fù)合物亞家族可分為：轉(zhuǎn)換缺陷/乳糖非發(fā)酵（SWI/SNF）復(fù)合物[3]、模擬轉(zhuǎn)換（ISWI）復(fù)合物[4]、染色體結(jié)構(gòu)域解旋酶DNA結(jié)合（CHD）復(fù)合物[5]和肌醇80（INO80）復(fù)合物[6]。

本文將詳細(xì)論述4大染色質(zhì)重塑復(fù)合物在神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞命運決定、發(fā)育成熟等方面的作用，介紹其在神經(jīng)發(fā)育障礙疾病中的臨床研究進(jìn)展。

1 染色質(zhì)重塑復(fù)合物對神經(jīng)發(fā)生的影響

1.1 染色質(zhì)重塑參與神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)范

神經(jīng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上源于外胚層細(xì)胞增殖形成的神經(jīng)板，隨后產(chǎn)生神經(jīng)溝、神經(jīng)褶，最后形成神經(jīng)管。神經(jīng)管缺陷被認(rèn)為是多基因致病的發(fā)育障礙性疾病，染色質(zhì)重塑因子對神經(jīng)結(jié)構(gòu)的規(guī)范作用為其發(fā)病機制探索提供新思路，其中Brg1/Brm相關(guān)因子155復(fù)合體（BAF155）尤其重要。小鼠Baf155等位基因錯義突變產(chǎn)生神經(jīng)管缺陷表型，RNA測序發(fā)現(xiàn)該突變涉及神經(jīng)發(fā)育和細(xì)胞存活[7]。同樣，在人類同卵雙胞胎中，曾報道編碼BAF155復(fù)合體的SMARCC1基因的新發(fā)突變可引起罕見的孟德爾遺傳模式的神經(jīng)管缺陷[8]。

在神經(jīng)管閉合到神經(jīng)嵴發(fā)育過程中，原位雜交反應(yīng)顯示非組蛋白染色質(zhì)重塑因子Hgma1高表達(dá)，用CRISPR-Cas9技術(shù)敲除神經(jīng)嵴前體細(xì)胞Hgma1基因后，發(fā)現(xiàn)Hgma1以Pax7依賴的模式影響早期神經(jīng)譜系規(guī)范，并通過下游Wnt信號通路影響隨后顱神經(jīng)遷移[9]。在大腦皮質(zhì)發(fā)育中，BAF復(fù)合物破壞導(dǎo)致大腦皮質(zhì)組織脆弱出現(xiàn)明顯畸形[10]。

1.2 染色質(zhì)重塑參與神經(jīng)發(fā)生期的神經(jīng)前體細(xì)胞對稱分裂

在神經(jīng)發(fā)生早期，神經(jīng)前體細(xì)胞對稱分裂增殖擴充細(xì)胞池，在皮質(zhì)神經(jīng)前體細(xì)胞中條件性敲除Ino80基因會損害DNA雙鏈斷裂修復(fù)機制，觸發(fā)p53依賴性小頭畸形和細(xì)胞凋亡，進(jìn)一步研究表明Ino80缺失引起的病變主要依賴神經(jīng)前體細(xì)胞的對稱分裂模式[11]。BAF復(fù)合物中Brg1、Baf45a/d、Baf53a和SS18亞基也參與維持神經(jīng)前體細(xì)胞的自我更新和增殖，敲除后導(dǎo)致皮質(zhì)變薄、中腦和小腦發(fā)育不全甚至死亡[12]。

CHD復(fù)合物中催化亞基在調(diào)節(jié)神經(jīng)前體細(xì)胞增殖方面，展示出不同甚至相反功能，多數(shù)敲除CHD4的小鼠出生時死亡，胚胎期第18.5天時，腦體積小于同窩對照組小鼠，皮質(zhì)厚度明顯降低，增殖標(biāo)記物Ki67染色顯示神經(jīng)前體細(xì)胞提早退出細(xì)胞周期[13]；在小腦發(fā)育不良的CHARGE綜合征患者中檢測到CHD7基因突變，在缺乏CHD7的小腦顆粒細(xì)胞祖細(xì)胞中Reln基因下調(diào)，引起顆粒細(xì)胞祖細(xì)胞增殖障礙[14]，造成腦體積減小。與此相反，CHD8雜合突變擾亂RNA剪接，影響細(xì)胞周期相關(guān)基因表達(dá)，腦室區(qū)和腦室下區(qū)細(xì)胞增殖，表現(xiàn)為巨腦畸形[15]。

1.3 染色質(zhì)重塑參與神經(jīng)前體細(xì)胞非對稱分裂和分化

在非對稱分裂過程中，神經(jīng)前體細(xì)胞自我更新并開始分化，產(chǎn)生頂端神經(jīng)前體細(xì)胞，再增殖分裂形成基底中間前體細(xì)胞和基底放射狀膠質(zhì)細(xì)胞。BAF復(fù)合物限制前體細(xì)胞增殖能力并促進(jìn)晚期神經(jīng)發(fā)生中的神經(jīng)元分化。BAF復(fù)合物失活會導(dǎo)致神經(jīng)元分化相關(guān)基因被組蛋白3上第27位賴氨酸的三甲基化（H3K27me3）沉默，再通過抑制Wnt信號通路，使組蛋白3上第4位賴氨酸的二甲基化（H3K4me2）介導(dǎo)的增殖相關(guān)基因激活[16]。此外，先前被認(rèn)為與神經(jīng)前體細(xì)胞增殖相關(guān)的信號通路（如Notch通路、Sonic hedgehog通路）均與BAF復(fù)合體存在相互作用[17]。ISWI復(fù)合物中Smarca1與Foxg1基因啟動子結(jié)合，控制神經(jīng)前體細(xì)胞增殖，促進(jìn)分化程序啟動，敲除之后導(dǎo)致小鼠皮質(zhì)明顯增厚；而Smarca5則調(diào)控小腦顆粒神經(jīng)元前體細(xì)胞增殖，敲除后出現(xiàn)小腦發(fā)育不全、共濟失調(diào)表型，并影響浦肯野細(xì)胞分布[18]。

CHD復(fù)合物參與神經(jīng)前體細(xì)胞分化，CHD2基因突變抑制放射狀膠質(zhì)細(xì)胞增殖，引起神經(jīng)元過早分化[19]，CHD4基因突變引起大量Tbr2標(biāo)記陽性的神經(jīng)前體細(xì)胞分化障礙[13]，CHD5突變引起腦室區(qū)和腦室下區(qū)神經(jīng)前體細(xì)胞停滯于未分化階段并大量堆積[20]，CHD7突變干擾了與DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶Top2b的相互作用，導(dǎo)致顆粒層神經(jīng)元前體細(xì)胞分化障礙、浦肯野細(xì)胞凋亡[21]，最終形成CHARGE綜合征中小腦發(fā)育不全表型。

2 染色質(zhì)重塑復(fù)合物對神經(jīng)元發(fā)育成熟的影響

2.1 染色質(zhì)重塑影響神經(jīng)元遷移和分層

胚胎發(fā)育期產(chǎn)生的神經(jīng)元沿著放射狀膠質(zhì)細(xì)胞徑向遷移到特定腦區(qū)，首先占據(jù)皮質(zhì)深部（Ⅳ～Ⅵ層），隨后神經(jīng)元穿過深層到達(dá)淺層（Ⅱ和Ⅲ層），整合進(jìn)神經(jīng)環(huán)路中行使成熟神經(jīng)元的功能。時間上，CHD5參與神經(jīng)元的極性建立和早期徑向遷移，敲除CHD5基因的大腦中，表達(dá)上層標(biāo)記物Cux1和SATB2的多極性神經(jīng)元未向皮質(zhì)淺層遷移，形成異位結(jié)構(gòu)；CHD3則參與神經(jīng)元晚期遷移和分層[13]；敲除CHD8基因表現(xiàn)出神經(jīng)元的延遲遷移，并且胚胎不同時間段敲除結(jié)局不同，有待進(jìn)一步研究潛在機制[22]。空間上，CHD3和CHD5調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)神經(jīng)元遷移，CHD7則影響小腦浦肯野細(xì)胞定位[21]。

2.2 染色質(zhì)重塑影響神經(jīng)元突起的發(fā)育

神經(jīng)元遷移后將啟動分化和形態(tài)發(fā)生程序，獲得成熟神經(jīng)元的身份確定，樹突的形成和修剪是成熟神經(jīng)元最基本特征之一。BAF復(fù)合物對樹突生長至關(guān)重要，其中BAF53b蛋白和催化亞基Brg1/Brm，通過Ca2+反應(yīng)性轉(zhuǎn)錄共激活因子CREST調(diào)節(jié)下游樹突生長相關(guān)基因[23]，敲除BAF53b基因后，樹突棘密度降低且形態(tài)異常，影響突觸可塑性和長期記憶功能[24]，敲除ACTL68基因也可導(dǎo)致樹突發(fā)育嚴(yán)重障礙[25]，并發(fā)現(xiàn)與智力障礙、孤獨癥譜系障礙、癲癇等疾病相關(guān)[26]。此外，Brg1還通過孤獨癥譜系障礙相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子MEF2介導(dǎo)樹突修剪[27]。CHD復(fù)合物在樹突修剪中呈現(xiàn)功能多樣性，敲除CHD4后影響樹突修剪階段的樹突總長度和初級樹突數(shù)目，但在樹突發(fā)育階段敲除CHD4則對數(shù)目形態(tài)沒有明顯改變[28]。敲除CHD8降低樹突分支的數(shù)目和空間復(fù)雜性，并影響軸突向?qū)?cè)皮質(zhì)投射[22]，這些有助于對CHD8相關(guān)的孤獨癥譜系障礙機制的了解。

3 染色質(zhì)重塑復(fù)合物對神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育成熟的影響

3.1 染色質(zhì)重塑調(diào)節(jié)少突膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育

近年來，許多研究著眼于染色質(zhì)重塑復(fù)合物對少突膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育的影響。少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子2 （Olig2）是少突膠質(zhì)細(xì)胞形成的關(guān)鍵因子，條件性敲除Olig2基因后Brg1基因表達(dá)下調(diào)，加之Olig2結(jié)合在少突膠質(zhì)前體細(xì)胞和未成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞中的Brg1調(diào)節(jié)區(qū)域，因而Brg1被認(rèn)為是Olig2的直接作用靶點[29]，影響少突膠質(zhì)細(xì)胞分化和髓鞘形成的基因表達(dá)。CHD7通過影響染色質(zhì)開放程度和關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子活性（如Sox10、Nkx2.2和Gpr17）來調(diào)節(jié)少突膠質(zhì)前體細(xì)胞分化基因表達(dá)，通過抑制p53轉(zhuǎn)錄來避免細(xì)胞凋亡，即CHD7在少突膠質(zhì)前體細(xì)胞分化和存活中起重要作用，期間CHD8可補償敲除CHD7基因后的功能缺失[30]。進(jìn)一步研究表明，CHD8為Brg1上游調(diào)節(jié)因子，可啟動Brg1和CHD7介導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)[31]，或招募組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶影響少突膠質(zhì)前體細(xì)胞發(fā)育。而 INO80/SWR1家族的腺病毒E1A結(jié)合蛋白p400（Ep400）則影響少突膠質(zhì)細(xì)胞終末分化[32]，可見染色質(zhì)重塑復(fù)合物可以參與少突膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育與成熟的整個生命周期。

3.2 染色質(zhì)重塑影響髓鞘形成

少突膠質(zhì)細(xì)胞分化受損多導(dǎo)致髓鞘形成缺陷，在敲除Ep400基因的小鼠中分別觀察出生后21 d、32 d和60 d的髓鞘結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)髓鞘數(shù)目進(jìn)行性減少[32]，而在髓鞘形成后期和動態(tài)更新時Ep400基因是非必需的。同樣，條件性敲除CHD8基因的小鼠出生后出現(xiàn)全身震顫和強直痙攣發(fā)作的脫髓鞘表現(xiàn)，有意思的是，髓鞘異常的嚴(yán)重程度存在區(qū)域差異[31]。

可見，不同染色質(zhì)重塑復(fù)合物參與少突膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育的不同時間段，在功能上具有時序性；不同染色質(zhì)重塑復(fù)合物結(jié)合不同位點，呈靶向特異性；在不同腦區(qū)作用強度不同，具有區(qū)域或細(xì)胞差異性。

4 染色質(zhì)重塑復(fù)合物在神經(jīng)發(fā)育障礙中的臨床研究進(jìn)展

染色質(zhì)重塑復(fù)合物變異是重要的神經(jīng)發(fā)育障礙疾病的遺傳學(xué)機制，多影響認(rèn)知、溝通或行為功能，以下將闡述相關(guān)臨床綜合征的研究進(jìn)展。

BAF復(fù)合物突變常引起科芬-西里斯綜合征（Coffin-Siris syndrome），主要表現(xiàn)為智力障礙、生長遲緩、關(guān)節(jié)畸形和短指癥，最常見的突變基因是Baf250b即ARID1B，這也是SWI/SNF家族相關(guān)智力障礙中常見的突變[33]。在神經(jīng)發(fā)育障礙中，BAF復(fù)合物突變還涉及到Kleefstra綜合征、孤獨癥譜系障礙、精神分裂癥等疾病。

全外顯子測序和全基因組測序為ISWI家族在神經(jīng)發(fā)育障礙疾病中的作用提供證據(jù)，在小腦畸形和智力障礙的患者、不攜帶MECP2基因突變的Rett綜合征患者和精神分裂癥患者中都檢測到SMARCA1基因的從頭突變[34-35]。ISWI家族中的其他復(fù)合物也在神經(jīng)發(fā)育障礙疾病中有所發(fā)現(xiàn)，例如WICH復(fù)合物中WSTF基因與威廉姆斯-貝倫綜合征（Williams-Beuren syndrome）[36]、CECR2基因與貓眼綜合征（cat eye syndrome）[37]。目前相關(guān)研究還停留在表型發(fā)現(xiàn)和驗證中，分子機制及復(fù)合物亞基間相互作用有待進(jìn)一步研究。

CHD復(fù)合物家族中CHD7和CHD8在前文中已有闡述，分別與CHARGE綜合征和孤獨癥譜系障礙相關(guān)。在隨后一項針對孤獨癥譜系障礙、智力障礙和/或發(fā)育遲緩患者的外顯子新發(fā)突變數(shù)據(jù)的薈萃分析中，鑒定出253個突變，包括CHD3基 因、CHD4基 因 及CHD家 族 相 關(guān)TBR1和SATB2基因[38]。對35名CHD3突變的患者表型分析，CHD3突變表現(xiàn)為以智力障礙、大頭畸形和語言受損為特征的綜合征[39]。CHD4基因突變患者表現(xiàn)為發(fā)育遲緩、智力障礙、聽力喪失、大頭畸形、腦室擴大、面部畸形和性腺發(fā)育減退等[40]。CHD2基因突變引起神經(jīng)興奮性增高，可導(dǎo)致癲癇及癲癇性腦病[41]。CHD1基因突變與智力障礙、孤獨癥譜系障礙、癲癇發(fā)作和語言障礙等表型有關(guān)?？梢奀HD家族突變表型有重疊互補，而各因子單獨突變作用仍需進(jìn)一步研究。

5 總結(jié)與展望

神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育是漫長而精細(xì)調(diào)控的過程，ATP依賴的染色質(zhì)重塑在神經(jīng)發(fā)生、增殖分化、成熟中發(fā)揮重要作用。SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80/SWR1復(fù)合物4大家族中核心蛋白及催化亞基數(shù)目眾多，同一家族中不同亞基可參與相同或不同的神經(jīng)發(fā)育階段，而不同家族中基因突變可引起類似或相反的表型，展現(xiàn)出染色質(zhì)重塑作用的多樣性；相同亞基在不同細(xì)胞或腦區(qū)表現(xiàn)出作用差異性，因而可能存在細(xì)胞特異性調(diào)控機制。

組合復(fù)雜性、作用多樣性、細(xì)胞特異性使染色質(zhì)重塑研究充滿挑戰(zhàn)，目前許多研究仍停留在病例報道，對基因型和表型對應(yīng)關(guān)系及分子機制了解甚少。此外，染色質(zhì)重塑與其他表觀遺傳調(diào)控因素是否存在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)交互值得深入研究。未來，染色質(zhì)重塑在神經(jīng)發(fā)育障礙中的作用研究可為臨床診斷和治療帶來新的曙光。