自閉症是一組具有複雜分子基礎的異質性疾病的集合。死後大腦研究的證據表明，自閉症患者的早期產前發育可能會發生改變。從患有大頭畸形的自閉症個體中產生的誘導多能幹細胞（iPSCs）也表明產前發育是這種疾病的關鍵時期。但是對於自閉症產前階段早期細胞活動的改變知之甚少。
近日,英國倫敦國王學院的Deepak P. Srivastava教授團隊在《Biol Psychiatry》發表了一篇題為「Atypical Neurogenesis in Induced Pluripotent Stem Cells From Autistic Individuals」，通過研究由患有自閉症但沒有大頭畸形的個體產生的iPSCs，表明與自閉症相關的獨特發育差異可能在產前早期就建立了。
自閉症iPSC衍生神經元的神經發育基因表達和神經玫瑰花環的形成
從來自3個獨立隊列的9名自閉症患者（包括4名遺傳背景不明的孤獨症患者和5名高危基因位點拷貝數變異的孤獨症患者）和6名典型對照者個體中產生了iPSCs。對孤獨症iPSC皮質神經元進行RNA測序，發現了與死後大腦研究類似的自閉症特異性特徵，這表明了潛在的共同生物學機制。
iPSCs向神經細胞的分化首先導致神經上皮細胞的產生，這些細胞形成被稱為「神經花環」的結構，這些結構在決定皮層神經發生和不同細胞命運的產生中起著關鍵作用。在第9天檢測了對照組和自閉症iPSCs中玫瑰花環的形成，對照組的iPSCs牢固地形成神經花環結構，其內腔通過ZO-1染色確定。神經祖細胞在內腔周圍呈放射狀自組織，典型的細胞採用頂端-基底極性組織。相反，自閉症iPSCs在管腔形成和頂端-基底極性的建立方面顯示出顯著的異常。使用HCS方法評估玫瑰花環結構，顯示9個自閉症IPSC系中玫瑰花環結構異常。自閉症iPSCs表現出形成神經玫瑰花環的能力受損。
Figure 1. Differentiation of iPSCs into cortical lineage reveals gene expression and neural rosette formation differences between control and autism.
孤獨症iPSCs前腦前體譜系的改變
孤獨症iPSCs中觀察到的異常玫瑰花環結構可能提示孤獨症IPSCs中神經元分化的早熟或不典型。為了研究這種可能性，使用基於HCS的方法，在皮質分化的關鍵階段-第9天、第21天和第35天-分析了皮質分化的iPSCs的基本發育標誌物（AX6和Tuj1）。
結果表明，對照iPSC來源的前體細胞在分化早期表達PAX6和Tuj1，而自閉症iPSCs在同一時期表達較低的PAX6和Tuj1。超過這一階段，自閉症iPSCs中PAX6和Tuj1的獲得率更高，而對照組和自閉症iPSCs之間的差異在第21天大幅縮小。
Figure 2. Atypical cortical differentiation of autism induced pluripotent stem cells.
iPSC研究將GABA(γ-氨基丁酸)-穀氨酸能前體細胞和神經元功能失衡與大頭畸形相關的細胞增殖表型聯繫在一起，Dwaipayan Adhya等人也探討了在自閉症iPSCs中是否可以觀察到類似的GABA-穀氨酸能前體細胞存在的失衡。通過研究表達 EMX1和 GAD67的前體細胞的發育情況，前者表達於前腦背側(穀氨酸能)神經元和前體細胞，後者是GABA合成途徑中的限速酶，已知表達在GABA能細胞。
結果顯示，與觀察到的PAX6和Tuj1表達細胞相似，自閉症組與對照組的EMX1和GAD67的表達也表現出明顯的變異性。第9天，對照組的EMX1表達明顯高於自閉症神經前體，第21天，兩組EMX1的表達似乎保持穩定，對照前體僅略有減少，而自閉症組則略有增加；在這一階段，對照神經前體細胞的EMX1表達明顯高於自閉症神經前體細胞。在第35天的未成熟神經元中，與第9天和第21天的前體細胞相比，對照和自閉症神經元中EMX1的表達都減少了；然而，自閉症組的減少明顯更嚴重，GAD67在自閉症IPSCs和對照組IPSCs中的表達趨勢與之相反。
總之，自閉症iPSCs在皮質前體細胞和前腦背側和腹側前體細胞的細胞類型分配率上存在顯著差異。這些細胞表型發生在皮質分化過程中細胞增殖沒有變化的情況下，這與以前的研究不同。
Figure 3. Atypical differentiation into dorsal and ventral forebrain precursors in autism.
中腦底板前體細胞的生成顯示對照組和自閉症iPSCs之間的差異可以忽略不計
接著，Dwaipayan Adhya等人試圖確定對照組和自閉症患者的iPSCs是否都能有效地分化為另一種神經元的神經前體細胞，特別是中腦多巴胺神經元（由位於神經管底板腹側中線的細胞產生的中腦底板前體細胞(mFPPs)產生的）。對照組和自閉症mFPPs中轉錄因子LMX1A 和FOXA2的表達沒有差異，顯示對照組和自閉症iPSCs在中腦譜系分化方面的差異可以忽略不計。
在這項研究中，使用了來自獨立隊列和患有自閉症但沒有大頭畸形的個體的iPSCs，發現自閉症誘導多能幹細胞向大腦皮層分化，而不是向中腦分化，導致非典型神經發生過早成熟和神經前體細胞異常分化。這些細胞/分子表型的鑑定使我們能夠在具有異質遺傳背景的隊列中找到共同的細胞通路。未來，類似設計的研究將有助於確定哪些細胞通路構成這些表型的基礎，並可能有助於提高診斷水平，進一步了解自閉症的起源。
文章信息：
Adhya D, Swarup V, Nagy R, et al. Atypical Neurogenesis in Induced Pluripotent Stem Cells From Autistic Individuals [published online ahead of print, 2020 Jun 23]. Biol Psychiatry. 2020;S0006-3223(20)31702-9. doi:10.1016/j.biopsych.2020.06.014
編譯作者：PiKa（brainnews創作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
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