JCI | 染色质调控因子 DMAP1 缺陷揭示神经发育障碍新机制

神经发育障碍是一类高度异质性的神经系统疾病，常表现为发育迟缓、智力障碍、自闭症样行为、癫痫、肌张力异常和脑结构发育异常等。近年来，越来越多研究表明，神经发育不仅受到传统遗传因素调控，也高度依赖染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传机制。

近日，宾夕法尼亚大学，美国费城儿童医院的李东和宋源泉研究团队在JCI上发表了题为Biallelicinactivating variants in the chromatin remodeler DMAP1cause a syndromic neurodevelopmental disorder的研究文章。该研究报道了一个新的神经发育障碍致病基因DMAP1，该基因编码DNA methyltransferase 1-associated protein 1，是一个多功能染色质调控蛋白，参与DNA甲基化、组蛋白乙酰化、组蛋白H2A/H2A.Z交换以及DNA损伤修复等过程。李东和宋源泉团队通过国际合作及GeneMatcher等平台，从16个无关家系中鉴定出20名患者，这些患者均携带纯合或复合杂合DMAP1变异，包括错义突变、无义突变和移码突变。患者表现出发育迟缓、智力障碍、肌张力低下、癫痫、喂养困难、身材矮小、小头畸形、脑结构异常以及颅面部特殊表型等症状，提示DMAP1双等位基因失活变异会导致综合征性神经发育障碍。

为了验证这些患者变异的致病性，王骎博士为首的研究人员首先在果蝇神经元中特异性敲低dDMAP1（为和人类DMAP1做区分，本文将果蝇同源基因称为dDMAP1），发现极少幼虫能存活到成虫阶段。进一步分析显示，在感觉神经元中特异性敲低dDMAP1，会导致感觉神经元树突长度下降、树突分支复杂度降低；在神经系统中敲低dDMAP1，会导致果蝇蕈形体结构异常。这些现象说明dDMAP1对果蝇神经元和整个神经系统发育的发育都有着关键的作用。由于蕈形体是果蝇学习和记忆的重要脑区，对果蝇高级行为功能至关重要，研究人员接下来进行了行为学分析，发现dDMAP1敲降在果蝇中引发社会行为异常以及机械刺激诱导的癫痫样表型。这些结果说明DMAP1不仅影响早期神经发育，也参与神经元形态建立、神经网络功能和行为调控。

研究人员随后在果蝇中表达人源野生型 DMAP1 或病人中发现的DMAP1变异体，以观察这些变异会如何影响DMAP1功能。结果显示，人源野生型DMAP1能够在很大程度上挽救 dDMAP1 敲低导致的致死、蕈形体结构异常和行为缺陷，而患者变异体的挽救能力存在明显差异。例如，表达Tyr124Cys变异能够挽救包括机械刺激诱导的癫痫样表型在内的大多数行为学和形态学缺陷，而Phe171Leu在癫痫样表型方面挽救能力较差，对应携带p.(Tyr124Cys)变异的患者未出现癫痫，而携带p.(Phe171Leu)变异的患者容易出现癫痫，证明了果蝇功能实验结果和人类患者的症状具有一定的一致性，同时也提示行为学可能比单纯的形态学指标更能区分不同错义变异的致病强度

为了进一步解析DMAP1缺失如何影响神经发育，研究人员用dDMAP1敲低的果蝇幼虫脑组织进行了RNA测序。结果发现，dDMAP1敲低后有大量基因表达发生改变，其中许多下调基因与DNA/RNA结合、转录调控和神经发育相关。研究人员从下调基因中筛选出多个候选下游效应分子，并重点验证了Cbl和SF1。Cbl编码一种E3泛素连接酶，参与受体酪氨酸激酶、RAS/MAPK和PI3K等信号通路调控，其人类变异已被报道与Noonan-like综合征相关；SF1编码剪接因子，也与神经发育障碍有关。研究人员发现，在dDMAP1敲低果蝇中重新表达dCbl可以显著提高果蝇存活率，并恢复蕈形体结构；表达dSF1也能部分挽救相关缺陷。该结果提示Cbl和SF1可能是DMAP1调控神经发育的重要下游节点，发现和鉴定这些下游效应分子为机制研究和潜在干预提供了新的方向。

最后，研究人员还进一步开展了全基因组DNA甲基化episignature分析。他们使用8名DMAP1变异患者的外周血DNA，与年龄、性别和芯片平台匹配的对照样本进行比较，鉴定出214个差异甲基化CpG位点，这些CpG位点勾勒出一个DMAP1相关的特异性DNA甲基化特征。随后，研究人员将该episignature应用于未确诊病例的临床分类，成功帮助诊断了一名携带DMAP1双等位基因致病变异的患者。这一发现说明，DMAP1相关甲基化特征不仅有助于理解疾病机制，也可能成为辅助诊断DMAP1相关神经发育障碍的分子标志物。

总体来说，这项研究首次系统证明了DMAP1双等位基因失活变异会导致一种新的综合征性神经发育障碍。研究人员通过患者遗传学、临床表型分析、果蝇功能模型、转录组学和DNA甲基化组学等多种手段，证明DMAP1对神经系统发育、社会行为和癫痫易感性均具有重要作用。该研究不仅将DMAP1纳入人类神经发育障碍致病基因谱，进一步扩展了人们对表观遗传调控复合物相关疾病的认识，也展示了整合临床遗传学、模式动物、人类表观基因组学和功能实验来解析罕见病机制的研究范式。

原文链接：https://www.jci.org/articles/view/198229

制版人：十一

参考文献

1. Lee GE, Kim JH, Taylor M, and Muller MT. DNA methyltransferase 1-associated protein (DMAP1) is a co-repressor that stimulates DNA methylation globally and locally at sites of double strand break repair.J Biol Chem.2010;285(48):37630-40.

2. Rountree MR, Bachman KE, and Baylin SB. DNMT1 binds HDAC2 and a new co-repressor, DMAP1, to form a complex at replication foci.Nat Genet.2000;25(3):269-77.

3. Niemeyer CM, Kang MW, Shin DH, Furlan I, Erlacher M, Bunin NJ, et al. Germline CBL mutations cause developmental abnormalities and predispose to juvenile myelomonocytic leukemia.Nat Genet. 2010;42(9):794-800.

4. Martinelli S, De Luca A, Stellacci E, Rossi C, Checquolo S, Lepri F, et al. Heterozygous germline mutations in the CBL tumor-suppressor gene cause a Noonan syndrome-like phenotype.Am J Hum Genet. 2010;87(2):250-7.

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