Nature重磅：破解人类大脑神经元发育时钟，加速神经系统疾病研究

撰文丨nagashi

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

人类作为万物之灵，其超凡的智慧是其他动物无可比拟的。与大多数哺乳动物相比，人类大脑的发育速度要慢得多。其中，皮层神经元的成熟尤为缓慢，需要数月至数年才能发育完全。值得注意的是，人多能干细胞（hPSC）衍生的皮质神经元在体外分化或移植到小鼠大脑时，其发育时间仍保持不变。

这些发现表明，人类神经元内部存在一个“时钟”来设定神经元成熟的速度，尽管这种时钟的分子性质尚不清楚。此外，人类神经元漫长的发育时间也极大地阻碍了神经系统疾病（例如帕金森病、阿尔茨海默病和自闭症）的建模和治疗开发。

近日，美国纪念斯隆凯特琳癌症中心的Lorenz Studer教授团队在Nature和Nature Biotechnology期刊连续发表两篇论文。论文题目分别是：An epigenetic barrier sets the timing of human neuronal maturation 和 Combined small-molecule treatment accelerates maturation of human pluripotent stem cell-derived neurons。

这两项研究表明，人类神经元干细胞中存在一个表观遗传发育时钟，设定了人类神经元成熟的时间。在此基础上，研究团队设计了一种基于人多能干细胞（hPSC）衍生皮质神经元的形态学和功能读数的高内涵成像检测方法，并由此确定了可以促进神经元成熟的四种化合物，加速神经系统疾病的治疗方法的开发。

在哺乳动物中，中枢神经系统的发育遵循一系列协调的事件，不同的细胞身份被指定、分化并组装为成熟的神经回路。这就像是一个严格制定的行程表，让神经元即使是在体外培养或异种移植的情况下，仍然遵循设定好的时钟发育成熟。

人类神经元缓慢的发育速度被认为与独特而复杂的认知能力有关，与小鼠相比，人类神经元成熟的速度要慢大约10倍。人多能干细胞（hPSC）衍生的皮质神经元需要数月乃至数年才能发育到成熟的电生理和突触功能。之前的研究表明，细胞内存在一个特殊的分子时钟，它决定了神经元的发育速度，但直到现在，其生物学性质在很大程度上仍然是未知的。

在这项发表于Nature研究中，研究团队首先开发了一种基于hPSC的检测方法来同步体外皮层神经元的诞生，使其能够定义神经元的形态学、功能和分子成熟图谱。研究人员发现，在产生神经细胞的干细胞中发现了一种“表观遗传屏障” （epigenetic barrier）。表观遗传是DNA上的一种特殊的分子标记，它可以使两个基因序列完全一致的个体表现出差异巨大的不同性状。

表观遗传开关驱动神经元的成熟

进一步研究表明，这种表观遗传屏障在发育过程中起到了抑制作用，并决定了神经细胞的成熟速度，而抑制这种屏障可以加速神经元的发育。例如，在祖细胞阶段对EZH2、EHMT1和EHMT2或DOT1L的短暂抑制，会使新生神经元在分化后迅速获得成熟的特性。因此，在神经干细胞分化成不同类型的神经元之前，这种决定发育速度的表观遗传屏障就已经被构建到神经干细胞中。

在hPSC中，短暂抑制表观遗传因子驱动了神经元的快速成熟

与之相印证，与小鼠神经元相比，人类神经元中的表观遗传屏障水平更高，这可能有助于解释不同物种细胞成熟速度的差异。此外，从分子机制上讲，表观遗传屏障的存在将转录成熟程序保持在一种平衡状态，并逐渐释放，以确保延长人类皮层神经元成熟的时间。

hPSC中的表观遗传屏障控制着神经元成熟程序的开始

那么，既然发现了表观遗传屏障存在，我们又该如何去利用它呢？

在这篇发表于Nature Biotechnology的研究中，研究团队设计了一种基于hPSC衍生皮质神经元形态学和功能数据的高内涵成像分析方法，确定了多种驱动神经元成熟的化合物，包括赖氨酸特异性去甲基化酶1抑制剂和端粒酶样1干扰物以及钙依赖性转录激活物。

hPSC衍生的皮质神经元的神经元成熟驱动因子的高内涵化学筛选

研究团队发现，GSK2879552、EPZ-5676、N-甲基-D-天冬氨酸和Bay K 8644，这四个因子的混合物——统称为GENtoniK，可以加速神经元的成熟，并在所有测试参数中有促进表现，包括突触密度，电生理和转录组学。

不仅如此，GENtoniK的促成熟效应在脑类器官、脊髓运动神经元和非神经谱系（包括黑素细胞和胰腺β细胞）中得到进一步验证。这一研究结果表明，在广泛的、由hPSC衍生的细胞系中，控制细胞发育时间的分子机制在谱系中很可能是共享的。

GENtoniK加速hPSC衍生的皮质神经元的成熟

总而言之，Lorenz Studer教授团队的这两项研究证明，人类神经元的发育速度是由表观遗传屏障决定的，通过小分子化合物抑制这种屏障可以加速人类神经元的发育。这一发现为人类干细胞的发育时间表如何被调节提供了新的视角，同时也为帕金森病、阿尔茨海默病和自闭症等神经系统疾病的研究模型构建和治疗方法开发提供了全新的可能。

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06984-8

2. https://www.nature.com/articles/s41587-023-02031-z