­­­Science|重磅!西奈山伊坎医学院团队报道神分裂症患者大脑体细胞嵌合表征产前突变过程

学术   2024-10-18 00:01   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文张  远

责编︱王思珍


精神分裂症SchizophreniaSCZ是全球致残的主要原因之一,影响约1%的人,通常在成年早期发病。SCZ具有显著的遗传成分,常见变异次要等位基因频率>1%单独影响较小,稀有拷贝数变异(copy number variantsCNVs和单核苷酸变异single-nucleotide variantsSNV影响较大,均会导致遗传风险[1]。体细胞变异在生物体整个发育过程中都会发生,存在于体内的一小部分细胞中[2,3],是常见的癌症驱动因素。但近年越来越多地被认识到会导致神经发育疾病,包括局灶性癫痫[4,5]和自闭症谱系障碍autism spectrum disorderASD[6,7]最近的研究表明,在一部分精神症病人当中存在体细胞拷贝数变异(somaticcopynumbervariantssCNVs)。此外,生殖系突变能够调节人患SCZ的风险。然而人们对体细胞嵌合性突变在SCZ中的作用机制以及这些变异是否在生殖早期阶段发生知之甚少。

近日,西奈山伊坎医学院Andrew Chess团队在Science杂志在线发表了题为“Somatic mosaicism in schizophrenia brains reveals prenatal mutational processes”的研究论文。在这项研究中,研究者团队对61SCZ病人和25例对照的脑神经元进行深度(239X全基因组测序whole-genome sequencinWGS,发现在产前神经发生过程中发生的基因组突变。SCZ病人开放性染色质中的体细胞变异增加,在与开放性染色质重叠的转录因子结合位点TFBS处嵌合性CpG颠换CpG > GpGT > G突变增加,而对照组中未见此现象。其中一些变异会改变基因表达,包括SCZ风险基因和参与神经发育的基因。尽这些突变过程可以间接反映与疾病相关的差异,但体细胞突变在发育相关的TFBS处发生可能导致SCZ



首先,研究者直接分析对照和SCZ死后大脑中的体细胞变异,从61名被诊断为SCZ的个体和25名对照者的背外侧前额皮质(DLPFC提取NeuN+神经元进行深度WGS,专门捕获在早期产前发育过程中发生的突变。因为新皮质神经元在妊娠约30周时都是有丝分裂后的,所以神经元克隆共享的体细胞突变发生在妊娠30周以前的祖细胞中,并且不会因妊娠后克隆突变而混淆。脑组织被均质化后,细胞核染色NeuN,并使用标准方法进行荧光激活细胞核分选fluorescence activated nuclei sortingFANS。从5000001000000个细胞核中提取的DNA在没有扩增的情况下进行测序。结果表明,SCZ组鉴定有2424sSNVs,对照组中有862sSNVs,变异等位基因分数(VAFs,variant allele fractions)0.9239.7%研究者随机选择了111个变体进行验证,96sSNV中有90个(94%)的VAFWGS估计值高度相关。其中,一个SCZ病例显示sCNVSORCS2基因的内含子1和可能的外显子2重叠,这与注意力缺陷多动障碍attention deficit hyperactive disorderADHD和双相情感障碍(bipolar disorder)有关,尽管SORCS2基因在SCZ中的作用尚未确定。


1. 实验设计和正交验证。

(图源:Maury et al.,Science.2024

研究者发现SCZ胎儿大脑脱氧核糖核酸酶(DNase超敏位点hypersensitive siteDHSsSNV比率高于对照组,这表明SCZ染色质开放区域更多。相反,SCZH3K27me3修饰富集区域的sSNV比率较低,这与H3K27me3修饰介导转录抑制和标记染色质致密区域一致。病例、对照胎儿大脑基因表达增加的区域的sSNV发生率没有差异,同时sSNV发生率与复制时间或复制叉方向之间也不存在显著关联。先前对癌症的研究观察到活性TFBS上富集的sSNVDHS重叠,这是由于结合转录因子TF阻碍了DNA修复。研究者利用胎儿脑中DHS强度的排名前10%来获取可能的活性TFBS,发现SCZ病例中活性TFBS中点附近±1kbsSNV增加,结果对DHS强度阈值具有稳健性,经过多重假设校正后,没有单个TF达到统计学意义。进一步对SCZsSNV进行全基因组分析,结果表明,在距TFBS中点50个碱基对范围内富集5.74倍,在启动子附近富集5.68倍,效应在距TFBS中点>100bp处富集逐渐减弱,表明突变过程呈现高度局部化。并且,研究者还观察到sSNV在多个组织、发育阶段和胚胎胚层的TFBS处的富集,这表明这种模式是发育性的,但不是组织特异性的。

2. SCZ在发育激活的转录起始位点处增加了sSNV的比例。

(图源:Maury et al.,Science.2024

SCZ病例中观察到两种特定的碱基颠换模式,但在对照中没有观察到。与预期C > G全基因组比例相比,体细胞CpG位点的SNV启动子活性TFBS处的CpG > GpG颠换富集了24.0倍。CpG背景下的C > GC > A颠换表征了一个已知的突变过程,反映了酶促去甲基化,这涉及氧化甲基胞嘧啶的切除,从而产生脱碱基位点。修复前复制脱碱基位点会产生CpG颠换。SCZ中的一个CpG > GpG变体位于GRN基因启动子附近,GRN编码必需的剂量敏感蛋白前颗粒蛋白。GRN单倍体剂量不足会导致成人额颞叶痴呆和儿童神经元变性,并且已在SCZ中报道。除了SCZ中活性TFBS处富集CpG颠换,研究者分析之前的ASD病例大脑DNA也观察到了类似的趋势。SCZ中,研究者未发现距TFBS中点≤100bpCpG颠换。但是,SCZ中的TFBS处的CpG颠换有所增加。并且体细胞CpG岛处的CpG颠换在SCZASD和对照中显示出相似的比例。以上表明CpG岛中的CpG颠换与疾病无关。

3. SCZ中体细胞活性转录因子结合位点的CpG替换增加。
(图源:Maury et al.,Science.2024

SCZ样本中非CpG位点碱基变化中sSNV的相对发生率显示,在距TFBS中点100bp以内的范围内,T > G颠换高度局部增加,而全基因组预期值则低于此,并且在启动子附近进一步增强。活性TFBS中的T > G sSNVSCZ病例中表现出显著富集。全基因组T > G突变在SCZ中也表征了比对照更高比例的sSNV。值得注意的是,三对不相关的SCZ病例在完全相同的基因组位置上显示出完全相同的T > G颠换。研究者称之为相同变体相同位点(SVSS, same variant same site)复现。在对照或其他WGS样本中未发现体细胞T > G SVSS复现。先前,全基因组泛癌分析研究的T > G突变的分析表明,TFBS处存在T > G诱变的潜在机制。研究者发现,在肝癌和膀胱癌样本的子集中,TFBSs处的T > G突变率同样很高,其中六个肝癌样本和两个膀胱癌样本在TFBSs处显示出强烈的T > G突变富集。SCZ类似,这些肝癌和膀胱癌样本显示SVSS复现,并在TFBSssSNV比率高的样本中富集。SVSS复现的六个肝癌样本和两个膀胱样本中有三个携带关键DNA修复基因XPD的体细胞错义突变,这与XPD功能障碍可增加TFBSs处的sSNV的观察结果一致。与非携带者相比,携带XPD突变的癌症样本在TFBSs处也富含T>G突变。TFBS突变率和XPD缺陷的肝癌和膀胱癌的TFBSs处的突变谱与SCZ在活性TFBSs处的突变谱非常相似。因此,嵌合性SCZ突变可能是由模仿XPD基因功能障碍的因素驱动的,例如抑制DNA修复的其他因素,尽管相似的突变谱可能是巧合。

4. SCZ和癌症样本中体细胞的活性TFBST>G颠换增加。
(图源:Maury et al.,Science.2024

研究者在人类神经母细胞瘤细胞系(SK-N-SH中进行了大规模平行报告基因检测massively parallel reporter assaysMPRA来评估病例和对照中发现的全套sSNVs的调控意义。与对照组相比,SCZ中的T > G转换更有可能是有意义的表达调控(significant expression modulation variantemVar,但在多重假设校正后,没有突变类型富集。一些emVar位于神经发育基因附近的TFBS处。例如,emVar chr19:13166346 T > G降低了调节活性并且靠近NFIX基因,其中杂合功能丧失突变导致马兰综合征,其特征是大脑过度生长和行为异常。另一个emVar, chr19:11593076 A > C靠近ELAVL3基因,这是一种神经元特异性RNA结合蛋白,可调节谷氨酸神经传递和神经元兴奋性。研究者通过基因增强子连锁图预测含有体细胞emVar的调控元件所针对的大脑特异性基因,显示两种体细胞emVar靶向与SCZ风险基因座重叠的七个基因。这些变体在MPRA的所有测试环境中具有相同的作用方向。特别是,emVar chr6:26533434 A > C,是一种下调活性的T > G,为PBX1基因预测的结合位点,PBX1是一种抑制神经元发育的调节因子。该变体将其基因增强子活性映射到主要组织相容性复合体I类区域内的基因BTN1A1BTN2A3PBTN3A1BTN3A2BTN3A3HMGN4,该基因位点与SCZ可重复相关。emVar chr6:109152571 G> A也会降低转录,并预测投射到与精神分裂症相关的FOXO3启动子的loop。该变体为BCL6创建了一个预测的结合位点,BCL6FOXO3的直接抑制剂。BCL6FOXO3共同相互作用,调节神经干细胞的增殖和分化。

5. 早期发育体细胞变异对SCZ和对照个体的转录影响。

(图源:Maury et al.,Science.2024

文章结论与讨论,启发与展望

尽管该研究数据样本量的有限,但研究者通过深度的全基因组测序和分析,提出了可以解释SCZ中独特的sSNV模式的突变模型。CpG颠换占脑组织中所有嵌合体突变的约2.4%,可能起源于受精后不久的早期合子,父系和母系基因组的整体DNA去甲基化在母系到合子的过渡期恢复了全能性。该过程中的改变,无论是内源性的还是外源性的因素,都会导致体细胞CpG颠倒。TFBSCpG颠倒的高比率与这种非常早期的时间窗口相一致。TFBS上的一些体细胞变异可以改变神经发育基因的表达,支持体细胞突变增加疾病易感性的模型。因此,在发育过程中活跃的TFBS上的体细胞SNV同时是诱变热点的产物,也是造成发育性脑功能障碍风险的理想候选者,增加了变异破坏对神经元功能至关重要的转录调控的可能性。总之,本文通过大脑全基因组分析,在基因发育的层面上阐释了精神分裂症产前sSNV的潜在规律和可能的致病机制。


原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq1456


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参考文献

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编辑︱王思珍
本文完



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