糖皮质激素通过ZBTB16表达调控人类皮质神经发生变化

2024-05-27 Mon
糖皮质激素通过调节ZBTB16表达改变人类皮质神经发生
背景介绍在妊娠期间，糖皮质激素（glucocorticoids, GCs）是中枢神经系统（central nervous system, CNS）发育过程中至关重要的类固醇激素。GCs能调节胎儿器官的发育，尤其是肺和大脑。然而，当GCs水平超出生理范围或时间窗口，如因合成糖皮质激素(synthetic GCs, sGCs)的治疗使用或母体内分泌及压力相关疾病导致，将会对胎儿发育产生影响。此外，母体压力和抑郁症会减少胎盘对皮质醇的代谢，合成糖皮质激素如倍他米松和地塞米松亦能容易穿过胎盘，增加胎儿的暴露水平。因此，针对高风险早产的妊娠，常从怀孕第22到33周间使用sGCs来促进胎儿肺的成熟，从而提高存活率。
临床和社会对于孕期GCs使用的重要性，以及GCs对胎儿发育可能产生的长期影响，促使科研团队希望探讨糖皮质激素在神经发生过程中的作用机制以及其对后续认知和脑结构的影响。
论文来源该研究由Anthi C. Krontira、Cristiana Cruceanu和Leander Dony等研究人员完成，他们分别来自Max Planck Institute of Psychiatry、Karolinska Institutet以及Ludwig-Maximilians-University等机构。这篇论文发表在2024年5月1日《Neuron》期刊上。
研究流程与主要结果研究流程研究采用人类脑类器官（human cerebral organoids, HCOs）和小鼠胚胎作为研究对象，探讨GCs对不同类型细胞的神经发生作用。具体研究流程如下：
实验设计：
通过在Day 43对HCOs进行7天的100nm地塞米松处理（Dex）以模拟临床治疗剂量。选择Day 40-50的时间窗口是因为这是HCOs中不同类型前体细胞最活跃的神经发生阶段。
细胞类型分析：
通过免疫荧光染色（immunofluorescence）和流式细胞术（flow cytometry analysis, FCA）验证细胞类型和数量变化，使用Pax6和Eomes标记不同类型前体细胞（Radial glia和basal progenitors）。
通过单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）分析不同处理条件下RNA水平的变化。
基因调控分析：
使用体内电转（in utero electroporations, IUE）技术将Zbtb16过表达（overexpression, OE）至小鼠胎儿脑中，并通过分析脑组织切片进行细胞类型和数量的统计。
分子机制探索：
分析Zbtb16在大脑发育中的表达模式，通过其mRNA和蛋白质的表达行为，解析其在HCOs和小鼠胚胎中的调控机制。
基因关联研究（GWAS）数据分析：
使用Mendelian随机化方法（Mendelian randomization analysis）结合UK Biobank数据库的基因数据，探索调节性SNP与大脑结构和认知表现的关联。
主要研究结果GCs增加Pax6+Eomes+基本前体细胞和上层神经元：
在被Dex处理的HCOs中，Pax6+Eomes+基本前体细胞显著增加（增幅可达11%-25.7%），这类细胞通常在具有卷曲脑表面（gyrified brain）的物种中富集。上层神经元（Satb2+ neuron）数量也显著增加，而深层神经元（Tbr1+ neuron和Bcl11b+ neuron）未显著变化。
Zbtb16在GCs作用下的重要性：
GCs的作用是通过上调Zbtb16来实现的，Zbtb16不仅在HCOs中，而且在小鼠胚胎中，也表现出生理性表达模式。过表达Zbtb16能够模拟Dex的作用，增加Pax6+Eomes+基本前体细胞和上层神经元数量。使用CRISPR-Cas9技术敲除Zbtb16的某一等位基因（zbtb16+/−）则显示，Dex处理对Pax6+Eomes+基本前体细胞的增加作用显著受阻。
小鼠模型验证：
Zbtb16过表达不仅在HCOs中起作用，在小鼠胚胎中电转后也能显著增加Pax6+Eomes+基本前体细胞，并提升分裂再生能力，增加神经生成。
长期效应与基因关联研究：
通过基因关联研究和Mendelian随机化分析，发现Zbtb16相关的SNP（rs648044）与教育水平、认知表现及脑结构的改变有关。rs648044 A等位基因携带者的更高GC诱导的Zbtb16水平与较高的认知表现、教育成就和较少的神经质倾向相关。
结论、意义与研究亮点GCs通过上调Zbtb16，在神经发生过程中增加了具有卷曲脑表面物种特有的神经生成潜力的Pax6+Eomes+基本前体细胞以及上层神经元。该机制不仅在HCOs中被验证，小鼠模型验证也表明这一调控路径跨物种表现一致。此外，与后期认知功能和脑结构的基因关联研究的结果进一步支持了GCs通过Zbtb16对大脑发育的长期有益效果，这为我们理解早期sGCs使用的益处提供了分子和细胞水平的线索。
研究中的重要发现GCs在胚胎大脑中的作用机制主要是通过调控Zbtb16实现的。
Pax6+Eomes+的基本前体细胞在具有卷曲脑表面物种的脑发育中起关键作用。
Zbtb16在大脑发育中的重要性，不仅体现在神经生成期，还与长期认知表现和脑结构变化相关。
其他有价值的信息该研究为早期sGCs用药时间窗口和潜在长期益处提供了科学依据，这对优化临床治疗指南具有重要意义。同时，这些成果也为未来的相关研究提供了新的视角和实验模型。
通过阐明GCs作用的分子机制和长期效果，该研究为神经发育科学和临床医学提供了重要的参考价值。