染色質重塑在小兒神經發育障礙中的遺傳學機制進展

陳方冰 綜述 周文浩 審校

（1.復旦大學附屬兒科醫院新生兒科，上海 201102；2.上海市出生缺陷防治重點實驗室/復旦大學兒童發育與疾病轉化醫學研究中心/衛生部新生兒疾病重點實驗室/復旦大學附屬兒科醫院，上海 201102）

神經發育障礙（neurodevelopmental disorders）是一組早期發病、具有高度遺傳異質性的神經系統疾病，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用，已鑒定出許多神經發育障礙相關基因，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數據庫，https://www.ncbi.nlm.nih.gov/clinvar/），涉及眾多表觀遺傳調控基因。從神經干細胞分化成神經元和神經膠質細胞，再到神經元遷移和神經環路形成，神經發育的關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造成持久影響，最終導致疾病發生。

真核生物基因表達調控是多層次、精細化的過程，轉錄水平調控始于染色體的活化。靜止狀態DNA高度折疊形成異染色質，阻礙相應部位轉錄。轉錄起始，染色質重塑因子與其催化亞基形成染色質重塑復合物，依賴ATP水解產生的能量，改變核小體的裝配、排列，從而改善染色質局部DNA的可及性，啟動基因轉錄。此外，染色質重塑還參與甲基化修飾、翻譯后修飾等重要生物活動[2]。按照染色質重塑復合物催化亞基的不同結構域，復合物亞家族可分為：轉換缺陷/乳糖非發酵（SWI/SNF）復合物[3]、模擬轉換（ISWI）復合物[4]、染色體結構域解旋酶DNA結合（CHD）復合物[5]和肌醇80（INO80）復合物[6]。

本文將詳細論述4大染色質重塑復合物在神經系統細胞命運決定、發育成熟等方面的作用，介紹其在神經發育障礙疾病中的臨床研究進展。

1 染色質重塑復合物對神經發生的影響

1.1 染色質重塑參與神經系統結構規范

神經系統在結構上源于外胚層細胞增殖形成的神經板，隨后產生神經溝、神經褶，最后形成神經管。神經管缺陷被認為是多基因致病的發育障礙性疾病，染色質重塑因子對神經結構的規范作用為其發病機制探索提供新思路，其中Brg1/Brm相關因子155復合體（BAF155）尤其重要。小鼠Baf155等位基因錯義突變產生神經管缺陷表型，RNA測序發現該突變涉及神經發育和細胞存活[7]。同樣，在人類同卵雙胞胎中，曾報道編碼BAF155復合體的SMARCC1基因的新發突變可引起罕見的孟德爾遺傳模式的神經管缺陷[8]。

在神經管閉合到神經嵴發育過程中，原位雜交反應顯示非組蛋白染色質重塑因子Hgma1高表達，用CRISPR-Cas9技術敲除神經嵴前體細胞Hgma1基因后，發現Hgma1以Pax7依賴的模式影響早期神經譜系規范，并通過下游Wnt信號通路影響隨后顱神經遷移[9]。在大腦皮質發育中，BAF復合物破壞導致大腦皮質組織脆弱出現明顯畸形[10]。

1.2 染色質重塑參與神經發生期的神經前體細胞對稱分裂

在神經發生早期，神經前體細胞對稱分裂增殖擴充細胞池，在皮質神經前體細胞中條件性敲除Ino80基因會損害DNA雙鏈斷裂修復機制，觸發p53依賴性小頭畸形和細胞凋亡，進一步研究表明Ino80缺失引起的病變主要依賴神經前體細胞的對稱分裂模式[11]。BAF復合物中Brg1、Baf45a/d、Baf53a和SS18亞基也參與維持神經前體細胞的自我更新和增殖，敲除后導致皮質變薄、中腦和小腦發育不全甚至死亡[12]。

CHD復合物中催化亞基在調節神經前體細胞增殖方面，展示出不同甚至相反功能，多數敲除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，皮質厚度明顯降低，增殖標記物Ki67染色顯示神經前體細胞提早退出細胞周期[13]；在小腦發育不良的CHARGE綜合征患者中檢測到CHD7基因突變，在缺乏CHD7的小腦顆粒細胞祖細胞中Reln基因下調，引起顆粒細胞祖細胞增殖障礙[14]，造成腦體積減小。與此相反，CHD8雜合突變擾亂RNA剪接，影響細胞周期相關基因表達，腦室區和腦室下區細胞增殖，表現為巨腦畸形[15]。

1.3 染色質重塑參與神經前體細胞非對稱分裂和分化

在非對稱分裂過程中，神經前體細胞自我更新并開始分化，產生頂端神經前體細胞，再增殖分裂形成基底中間前體細胞和基底放射狀膠質細胞。BAF復合物限制前體細胞增殖能力并促進晚期神經發生中的神經元分化。BAF復合物失活會導致神經元分化相關基因被組蛋白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）介導的增殖相關基因激活[16]。此外，先前被認為與神經前體細胞增殖相關的信號通路（如Notch通路、Sonic hedgehog通路）均與BAF復合體存在相互作用[17]。ISWI復合物中Smarca1與Foxg1基因啟動子結合，控制神經前體細胞增殖，促進分化程序啟動，敲除之后導致小鼠皮質明顯增厚；而Smarca5則調控小腦顆粒神經元前體細胞增殖，敲除后出現小腦發育不全、共濟失調表型，并影響浦肯野細胞分布[18]。

CHD復合物參與神經前體細胞分化，CHD2基因突變抑制放射狀膠質細胞增殖，引起神經元過早分化[19]，CHD4基因突變引起大量Tbr2標記陽性的神經前體細胞分化障礙[13]，CHD5突變引起腦室區和腦室下區神經前體細胞停滯于未分化階段并大量堆積[20]，CHD7突變干擾了與DNA拓撲異構酶Top2b的相互作用，導致顆粒層神經元前體細胞分化障礙、浦肯野細胞凋亡[21]，最終形成CHARGE綜合征中小腦發育不全表型。

2 染色質重塑復合物對神經元發育成熟的影響

2.1 染色質重塑影響神經元遷移和分層

胚胎發育期產生的神經元沿著放射狀膠質細胞徑向遷移到特定腦區，首先占據皮質深部（Ⅳ～Ⅵ層），隨后神經元穿過深層到達淺層（Ⅱ和Ⅲ層），整合進神經環路中行使成熟神經元的功能。時間上，CHD5參與神經元的極性建立和早期徑向遷移，敲除CHD5基因的大腦中，表達上層標記物Cux1和SATB2的多極性神經元未向皮質淺層遷移，形成異位結構；CHD3則參與神經元晚期遷移和分層[13]；敲除CHD8基因表現出神經元的延遲遷移，并且胚胎不同時間段敲除結局不同，有待進一步研究潛在機制[22]。空間上，CHD3和CHD5調節大腦皮質神經元遷移，CHD7則影響小腦浦肯野細胞定位[21]。

2.2 染色質重塑影響神經元突起的發育

神經元遷移后將啟動分化和形態發生程序，獲得成熟神經元的身份確定，樹突的形成和修剪是成熟神經元最基本特征之一。BAF復合物對樹突生長至關重要，其中BAF53b蛋白和催化亞基Brg1/Brm，通過Ca2+反應性轉錄共激活因子CREST調節下游樹突生長相關基因[23]，敲除BAF53b基因后，樹突棘密度降低且形態異常，影響突觸可塑性和長期記憶功能[24]，敲除ACTL68基因也可導致樹突發育嚴重障礙[25]，并發現與智力障礙、孤獨癥譜系障礙、癲癇等疾病相關[26]。此外，Brg1還通過孤獨癥譜系障礙相關轉錄因子MEF2介導樹突修剪[27]。CHD復合物在樹突修剪中呈現功能多樣性，敲除CHD4后影響樹突修剪階段的樹突總長度和初級樹突數目，但在樹突發育階段敲除CHD4則對數目形態沒有明顯改變[28]。敲除CHD8降低樹突分支的數目和空間復雜性，并影響軸突向對側皮質投射[22]，這些有助于對CHD8相關的孤獨癥譜系障礙機制的了解。

3 染色質重塑復合物對神經膠質細胞發育成熟的影響

3.1 染色質重塑調節少突膠質細胞發育

近年來，許多研究著眼于染色質重塑復合物對少突膠質細胞發育的影響。少突膠質細胞轉錄因子2 （Olig2）是少突膠質細胞形成的關鍵因子，條件性敲除Olig2基因后Brg1基因表達下調，加之Olig2結合在少突膠質前體細胞和未成熟少突膠質細胞中的Brg1調節區域，因而Brg1被認為是Olig2的直接作用靶點[29]，影響少突膠質細胞分化和髓鞘形成的基因表達。CHD7通過影響染色質開放程度和關鍵轉錄因子活性（如Sox10、Nkx2.2和Gpr17）來調節少突膠質前體細胞分化基因表達，通過抑制p53轉錄來避免細胞凋亡，即CHD7在少突膠質前體細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]。進一步研究表明，CHD8為Brg1上游調節因子，可啟動Brg1和CHD7介導的級聯反應[31]，或招募組蛋白甲基轉移酶影響少突膠質前體細胞發育。而 INO80/SWR1家族的腺病毒E1A結合蛋白p400（Ep400）則影響少突膠質細胞終末分化[32]，可見染色質重塑復合物可以參與少突膠質細胞發育與成熟的整個生命周期。

3.2 染色質重塑影響髓鞘形成

少突膠質細胞分化受損多導致髓鞘形成缺陷，在敲除Ep400基因的小鼠中分別觀察出生后21 d、32 d和60 d的髓鞘結構，發現髓鞘數目進行性減少[32]，而在髓鞘形成后期和動態更新時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全身震顫和強直痙攣發作的脫髓鞘表現，有意思的是，髓鞘異常的嚴重程度存在區域差異[31]。

可見，不同染色質重塑復合物參與少突膠質細胞發育的不同時間段，在功能上具有時序性；不同染色質重塑復合物結合不同位點，呈靶向特異性；在不同腦區作用強度不同，具有區域或細胞差異性。

4 染色質重塑復合物在神經發育障礙中的臨床研究進展

染色質重塑復合物變異是重要的神經發育障礙疾病的遺傳學機制，多影響認知、溝通或行為功能，以下將闡述相關臨床綜合征的研究進展。

BAF復合物突變常引起科芬-西里斯綜合征（Coffin-Siris syndrome），主要表現為智力障礙、生長遲緩、關節畸形和短指癥，最常見的突變基因是Baf250b即ARID1B，這也是SWI/SNF家族相關智力障礙中常見的突變[33]。在神經發育障礙中，BAF復合物突變還涉及到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家族在神經發育障礙疾病中的作用提供證據，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家族中的其他復合物也在神經發育障礙疾病中有所發現，例如WICH復合物中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]。目前相關研究還停留在表型發現和驗證中，分子機制及復合物亞基間相互作用有待進一步研究。

CHD復合物家族中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。在隨后一項針對孤獨癥譜系障礙、智力障礙和/或發育遲緩患者的外顯子新發突變數據的薈萃分析中，鑒定出253個突變，包括CHD3基 因、CHD4基 因 及CHD家 族 相 關TBR1和SATB2基因[38]。對35名CHD3突變的患者表型分析，CHD3突變表現為以智力障礙、大頭畸形和語言受損為特征的綜合征[39]。CHD4基因突變患者表現為發育遲緩、智力障礙、聽力喪失、大頭畸形、腦室擴大、面部畸形和性腺發育減退等[40]。CHD2基因突變引起神經興奮性增高，可導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、癲癇發作和語言障礙等表型有關。可見CHD家族突變表型有重疊互補，而各因子單獨突變作用仍需進一步研究。

5 總結與展望

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

組合復雜性、作用多樣性、細胞特異性使染色質重塑研究充滿挑戰，目前許多研究仍停留在病例報道，對基因型和表型對應關系及分子機制了解甚少。此外，染色質重塑與其他表觀遺傳調控因素是否存在調控網絡交互值得深入研究。未來，染色質重塑在神經發育障礙中的作用研究可為臨床診斷和治療帶來新的曙光。