Nat Commun：新研究表明恢复TCF4基因功能的基因疗法有望治疗皮特-霍普金斯综合征

在一项新的研究中，来自加州大学圣地亚哥分校医学院的研究人员人类大脑类器官揭示了一个基因发生的与一种严重的自闭症形式相关的突变如何破坏神经发育。利用基因治疗工具恢复这个基因的功能，有效地拯救了神经结构和功能。相关研究结果于2022年5月2日发表在Nature Communications期刊上，论文通讯作者为“Transcription Factor 4 loss-of-function is associated with deficits in progenitor proliferation and cortical neuron content”。

这个称为TCF4的基因是大脑发育的一个重要基因。包括自闭症谱系障碍（ASD）和精神分裂症内的一些神经和神经精神疾病都与TCF4基因突变有关。转录因子调节其他基因的开启或关闭，因此它们的存在或缺乏都会对发育中的胚胎产生多米诺效应。然而，当TCF4发生突变时，人们对人脑发生的情况知之甚少。

为了探索这个问题，这些作者着重关注皮特-霍普金斯综合征（Pitt-Hopkins Syndrome, PTHS）上，这是一种由TCF4突变引起的特殊ASD。患有这种遗传病的儿童有严重的认知和运动障碍，而且通常是不说话的。

现有的皮特-霍普金斯综合征小鼠模型无法准确模拟患者的神经特征，因此这些作者转而构建出这种疾病的人类研究模型。他们利用干细胞技术，将患者的皮肤细胞转化为诱导性多能干细胞（iPSC），然后利用iPSC培育出三维大脑类器官，也称为“迷你大脑（mini-brain）”。对这些大脑类器官的初步观察显示，存在TCF4突变的大脑类器官与对照组之间存在一系列的结构和功能差异。

论文共同通讯作者、加州大学圣地亚哥分校医学院教授和加州大学圣地亚哥分校干细胞项目主任Alysson R. Muotri博士说，“即使没有显微镜，你也能看出哪个大脑类器官存在TCF4突变。”

这些存在TCF4突变的大脑类器官组织比正常的大脑类器官组织小得多，而且许多细胞实际上不是神经元，而是神经祖细胞。神经祖细胞可以增殖，然后成熟为特定的脑细胞，但在存在TCF4突变的大脑类器官中，这一过程的某些部分出了问题。

一系列的实验显示，TCF4突变导致SOX基因和Wnt途径的下游失调，这两个重要的分子信号指导胚胎细胞增殖，成熟为神经元并迁移到大脑中的正确位置。由于这种失调，神经祖细胞不能有效增殖，因此产生的皮质神经元较少。成熟为神经元的神经祖细胞的兴奋性比正常的低，而且常常聚集在一起，而不是排列成可精细调整的神经回路。

这种非典型的细胞结构扰乱了存在TCF4突变的大脑类器官中神经活动的流动，这些作者说这可能会导致认知和运动功能的损害。

论文共同通讯作者、加州大学圣地亚哥分校医学院访问学者Fabio Papes博士说，“我们很惊讶在所有这些不同的尺度上看到如此重大的发育问题，这让我们想知道我们可以做些什么来解决这些问题。”Papes有一个亲戚患有皮特-霍普金斯综合征，这促使他研究TCF4。

PTHS类器官显示异常发育。图片来自Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-29942-w。

这些团队测试了两种不同的基因治疗策略，以恢复大脑组织中的功能性TCF4基因。这两种方法都有效地提高了TCF4的水平，并且在分子、细胞和电生理尺度上校正了皮特-霍普金斯综合征的表型。

Muotri说，“我们可以校正这个发生突变的基因，而整个神经系统重新建立起来，甚至在功能层面上，这一事实令人惊讶。”

Muotri指出，这些基因干预发生在大脑发育的产前阶段，而在临床环境中，儿童将在几年后接受诊断和治疗。因此，临床试验必须首先确认较晚干预是否仍然安全和有效。这些作者目前正在优化他们近期获得许可的基因治疗工具，为这样的临床试验做准备。在这类临床试验中，脊柱注射的基因载体将有望恢复大脑中的TCF4功能。

Muotri说，“对于这些儿童患者和他们的亲人来说，运动认知功能和生活质量的任何改善都是值得尝试的。”

皮特-霍普金斯综合征研究基金会主席Audrey Davidow说，“这新的研究真正出色的地方在于这些研究人员正在超越实验室，努力使这些发现转化为临床研究。这不仅仅是一篇出色的学术论文；这是实践良好的科学能够实现的、有希望改善人类生活的真正衡量标准。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Fabio Papes et al. Transcription Factor 4 loss-of-function is associated with deficits in progenitor proliferation and cortical neuron content. Nature Communications, 2022, doi:10.1038/s41467-022-29942-w.

2. Gene therapy reverses effects of autism-linked mutation in brain organoids
https://medicalxpress.com/news/2022-05-gene-therapy-reverses-effects-autism-linked.html