纤毛过渡区蛋白在人类与小鼠神经祖细胞命运决定中的差异需求：解锁神经发育奥秘

时间：2025年4月6日

来源：Nature Communications

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在神经发育疾病研究中，为探究纤毛基因在人类中枢神经系统中的作用，研究人员利用多能干细胞衍生的脊髓类器官，研究 RPGRIP1L 和 TMEM67 在人类神经祖细胞命运中的作用。结果发现，这两种蛋白在人与小鼠中的功能有别，且人类 RPGRIP1L 影响轴突模式形成。该研究为理解神经发育提供新视角。

在神经发育的奇妙世界里，纤毛就像一个个神秘的 “小天线”，从大多数脊椎动物细胞表面伸出，它们可不是简单的附属物，而是高度保守的信号细胞器。纤毛通过调节如 SHH、WNT 和 PDGFR 等多种信号通路，在胚胎发育和成年组织稳态中发挥着至关重要的作用。然而，当这些 “小天线” 出了问题，就可能引发一大类罕见的遗传疾病 —— 纤毛病（ciliopathies），这些疾病会影响多个器官的发育，尤其是中枢神经系统（CNS）。

目前，我们对纤毛相关基因在人类神经发育中的作用了解还十分有限。大多数关于纤毛病患者神经发育缺陷及其潜在机制的认识，主要来自动物模型的体内研究和体外分析。但由于缺乏合适的人类模型，我们很难深入理解纤毛在人类发育中的作用，以及纤毛病中神经发育缺陷的起源。而且，越来越多的证据表明，人和动物模型中纤毛的功能可能只是部分重叠，这给相关研究带来了更大的挑战。

为了攻克这些难题，来自法国索邦大学（Sorbonne Université）等机构的研究人员开展了一项重要研究。他们利用多能干细胞衍生的脊髓类器官，深入探究纤毛病基因 RPGRIP1L 和 TMEM67 在人类神经祖细胞（NP）命运中的作用。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解神经发育的奥秘打开了新的大门。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是 CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑技术，通过这项技术构建了 RPGRIP1L 和 TMEM67 缺陷的人类诱导多能干细胞（hiPSC）模型；其次是 RNA 测序技术，用于分析不同阶段脊髓类器官的基因表达变化；此外，还利用免疫荧光、Western Blot 等技术对细胞和组织进行检测分析。

研究结果如下：

Rpgrip1l 基因敲除小鼠脊髓类器官中 SHH 诱导的运动神经元分化缺陷：在脊椎动物中，SHH 信号沿脊髓背腹（DV）轴的梯度分布对底板（FP）和不同腹侧祖细胞区域的特化至关重要。研究人员建立了野生型（WT）和 Rpgrip1l 基因敲除（KO）的小鼠胚胎干细胞（mESC）系，并将其分化为腹侧脊髓类器官。结果发现，Rpgrip1l 缺陷的小鼠脊髓类器官中，祖细胞无法向腹侧脊髓命运分化，SHH 信号通路激活受损，同时纤毛结构异常。这表明 Rpgrip1l 在小鼠脊髓祖细胞中，对纤毛结构、SHH 信号通路激活以及脊髓腹侧身份的获得至关重要。
人类 RPGRIP1L 缺陷的神经祖细胞在脊髓类器官中分化为运动神经元：研究人员通过 CRISPR/Cas9 技术构建了 RPGRIP1L 缺陷的人类 iPSC 克隆，并将其分化为腹侧脊髓类器官。结果显示，RPGRIP1L 缺陷的 hiPSCs 能够从干细胞分化为神经祖细胞，再进一步分化为运动神经元。与小鼠模型不同，人类 RPGRIP1L 缺陷的脊髓类器官并未表现出背侧化的趋势，且神经发生似乎未受影响。
RPGRIP1L 缺陷的脊髓神经祖细胞具有纤毛并能转导 SHH 信号：在人类 RPGRIP1L 缺陷的脊髓类器官中，虽然存在纤毛门控缺陷，但仍能形成初级纤毛并转导 SHH 信号，这与小鼠模型形成鲜明对比。研究人员还发现，RPGRIP1L 缺陷的纤毛中，某些膜标记蛋白的含量发生了变化，这表明纤毛门控受到了干扰，但并未影响 SHH 信号的转导。此外，研究人员还对 TMEM67 缺陷的 hiPSCs 进行了研究，发现其也能形成纤毛、转导 SHH 信号并分化为运动神经元，进一步证明了人类和小鼠脊髓祖细胞对 TZ 蛋白缺失的反应不同。
RPGRIP1L 缺陷的脊髓类器官表现出前后轴模式形成缺陷，运动神经元具有后脑身份：研究人员对 WT 和 RPGRIP1L KO 类器官的 RNAseq 数据进行深入分析，发现 RPGRIP1L 缺陷的类器官中，HOX 基因表达发生改变，运动神经元的前后轴身份发生了转变，从尾侧臂部身份转变为更靠前的后脑或颈部身份。这一结果通过免疫荧光分析得到了进一步证实，表明 RPGRIP1L 在人类脊髓类器官的前后轴模式形成中起着重要作用。
RPGRIP1L 控制早期人类脊髓类器官中轴突祖细胞的命运特化和纤毛发生：研究发现，RPGRIP1L 缺陷会导致早期轴突祖细胞中纤毛密度降低，甚至在某些阶段纤毛缺失，同时影响轴突神经中胚层祖细胞（NMP）样命运的诱导，进而导致前后轴模式形成缺陷。而在 TMEM67 缺陷的类器官中，由于纤毛在早期未受影响，因此未观察到前后轴模式形成缺陷和 NMP 样命运建立的异常，这进一步证实了纤毛缺失与前后轴模式形成缺陷之间的相关性。

在讨论部分，研究人员指出，该研究揭示了人类和小鼠在纤毛相关蛋白功能上的差异。在小鼠中，Rpgrip1l 和 Tmem67 缺陷会导致神经管背腹模式形成异常，而在人类中，虽然 RPGRIP1L 和 TMEM67 缺陷不会影响腹侧脊髓神经元细胞类型的建立，但会导致前后轴模式形成缺陷。这种差异可能源于纤毛组成或稳定性的不同，也可能与细胞命运转变过程中纤毛对 TZ 蛋白缺失的敏感性变化有关。此外，研究还发现人类 RPGRIP1L 突变的脊髓类器官中，运动神经元身份的转变可能与 WNT 信号通路在早期轴突祖细胞分化过程中的传导减少有关，但具体机制仍有待进一步研究。

总的来说，这项研究意义重大。它不仅揭示了纤毛过渡区蛋白在人类和小鼠神经祖细胞命运决定中的差异需求，还为理解神经发育性纤毛病的发病机制提供了新的线索。未来，研究人员可以基于这些发现，进一步探索纤毛在神经发育中的复杂作用，以及相关疾病的潜在治疗靶点，为攻克神经发育性疾病带来新的希望。