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[知识] Dev Cell丨复旦团队揭示孤独症相关基因CHD8在少突胶质细胞发育、髓鞘形成和损伤后修复 ...

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重装爱情 发表于 2018-6-20 08:56:42 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
责编丨迦 溆


孤独症(autism spectrum disorders, ASD)是一类基因型和表型复杂的病因异质性疾病。近来研究发现,CHD8基因突变与孤独症密切相关,被认为是孤独症高度易感基因之一【1】CHD8基因属于SNF2H样ATP依赖染色质重塑子CHD家族(chromodomain helicase DNA-binding (CHD) family of SNF2H-like ATP-dependent chromatin remodelers)CHD8基因突变可导致先天发育异常,包括生长迟缓和智力障碍。孤独症患儿被发现常伴有中枢神经系统白质发育异常【2】,这些发现提示CHD8可能参与中枢神经系统髓鞘形成细胞发育和髓鞘形成。


少突胶质细胞(Oligodendrocytes)参与的髓鞘形成是中枢神经系统完成正常跳跃式神经传导所必需的。髓鞘形成和再生障碍缺陷将引起神经传导障碍和功能缺失,导致认知、行为和运动功能障碍【3】少突胶质前体细胞(Oligodendrocyte precursor cells, OPCs由中枢神经系统神经前体细胞发育而来,经增殖、分化形成成熟的少突胶质细胞。染色质修饰和重塑是少突胶质细胞分化过程中的关键步骤,其调控异常可引发神经系统疾病【4】


尽管目前通过杂合CHD8+/-动物和宫内基因敲除实验发现CHD8广泛表达于发育大脑中的神经元和胶质细胞,并且影响神经发育、功能和行为【5,6】,但是对于CHD8细胞特异性功能尚未得到解决。CHD8突变的孤独症患者表现为严重的白质异常,然而其髓鞘形成异常是由细胞自主性(cell-autonomous)还是非细胞自主性(cell non-autonomous)CHD8突变导致尚未得到证实。


6月18日,来自复旦大学附属儿科医院的周文浩课题组和辛辛那提儿童医院医学中心的Qing Richard Lu课题组在Developmental Cell杂志上联合发表了题为Dual-requirement of CHD8 for Chromatin Landscape Establishment and Histone Methyltransferase Recruitment to Promote CNS Myelination and Repair的论文。文章证实了少突胶质前体细胞特异性Chd8缺失可引起中枢神经系统髓鞘形成障碍,揭示了CHD8在少突胶质细胞发育、髓鞘形成和损伤后修复中的细胞内在依赖性。这为CHD8相关白质缺陷疾病治疗提供了分子层面的研究基础。



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研究人员首先在CHD8基因突变孤独症患儿头颅MRI结果中发现与同龄大脑相比,这些患儿表现为严重的大脑白质缺陷和体积减少。研究人员发现在P14小鼠胼胝体、视神经和脊髓中大部分CHD8+细胞为CC1+分化少突胶质细胞,在发育期白质中CHD8高表达于少突胶质细胞系中,且CHD8在OPC中的表达高于成熟少突胶质细胞。


为了在体内研究CHD8对中枢神经系统髓鞘形成的特异性作用,研究人员建立了Chd8条件性基因敲除小鼠Chd8 cKO),通过与Olig1-Cre小鼠相交,在少突胶质祖细胞中敲除Chd8基因。所有Chd8 cKO小鼠髓鞘发育严重紊乱,出生后3周左右开始出现后肢紧扣、全身震颤和强直性阵挛发作,出生后21天左右死亡。P14天Chd8 cKO小鼠视神经相较对照组小鼠透明,P1和P14 Chd8 cKO小鼠髓鞘形成基因表达均较对照组小鼠低,证实CHD8基因缺失致发育期中枢神经系统髓鞘形成障碍。


Chd8 cKO小鼠髓鞘形成缺陷可能与OPC生成相关。然而,在Chd8 cKO小鼠与对照组小鼠大脑中未发现PDGFR+少突胶质前体细胞数量差异。相反,在髓鞘中,从E14.5到P14 Chd8 cKO小鼠OPC数量较对照组小鼠明显降低。细胞增殖实验结果发现Chd8 cKO小鼠髓鞘OPC增殖明显受到抑制。结果证实在中枢神经系统OPC发育过程中CHD8表达具有区域特异性。


研究人员发现,在OPC中敲除CHD8基因可抑制OPC分化,引起OPC凋亡。然而,通过神经元特异性Cre在神经元中敲除CHD8基因并不影响OPC的发育分化,提示CHD8调控OPC分化是细胞自主性的(cell-autonomous)


通过在小鼠背侧脊髓注射溶血卵磷脂(lysolecithin, LPC)可诱导局灶性脊髓脱髓鞘模型。在正常成人脊髓少突胶质细胞中CHD8很少表达,而在髓鞘再生病灶中CHD8表达增加。在Chd8 cKO小鼠脱髓鞘模型中发现,在脱髓鞘病灶中OPC增殖明显受到抑制,CC1+分化少突胶质细胞数量明显减少,电镜结果发现髓鞘化轴突数量显著降低。结果证实,在髓鞘修复过程中,CHD8调控OPC增殖和再生,因此是脱髓鞘损伤后髓鞘再生所必需的。


转录组测序技术显示,CHD8缺失导致与少突胶质细胞分化相关基因表达下调,而分化抑制基因,如P53信号通路、Wnt信号通路,表达上调。同时发现,甲基转移酶KMT2/MLL靶基因和H3K4me3标记基因也明显表达下调。染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq)数据显示,CHD8在OPC中主要与基因启动子或临近的增强子区域相结合,且这些结合区域的基因序列与许多转录因子相吻合,包括Olig2和Sox10。研究者进一步结合Chd8敲除OPC的转录组测序数据分析,发现了1656个CHD8下游靶向调控基因,这些基因都作用于神经发生、胶质发生、少突胶质细胞发育和Wnt信号通路等生物学过程中。


同时,研究者还通过转座酶可接近染色质测序(assay for transposase-accessible chromatin,ATAC-seq )发现CHD8在OPC中对染色质结构的开放是必不可少的。特别是对于少突胶质细胞特异性基因Olig2Ascl1,以及Olig1/2Sox10等少突胶质细胞分化相关基因,染色质可接近程度在CHD8敲除OPC中显著低于对照OPC。结合RNA-seq和H3K4me3 ChIP-seq数据,研究者发现CHD8是通过促进少突胶质细胞分化相关转录因子的染色质可接近程度从而调控OPC分化过程


研究者发现CHD8通过募集KMT2/MLL组蛋白甲基转移酶复合物激活OPC分化相关转录调控程序。组蛋白去甲基化酶KDM5可使 H3K4me3去甲基化,CPI-455是KDM5选择性抑制剂,并且可通过血脑屏障。在大多数Chd8基因敲除OPC中H3K4me3缺失,而加入CPI-455后可显著增加H3K4me3水平,并且MBP表达成熟少突胶质细胞数量明显升高。Chd8 cKO小鼠腹腔注射CPI-455后,发现成熟少突胶质细胞数量明显增高。细胞和动物实验结果发现,抑制KDM5组蛋白去甲基化酶活性能增加H3K4me3水平,提高Chd8基因缺失OPC分化能力。



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总体来说,CHD8以细胞自主性方式调控少突胶质前体细胞增殖分化,髓鞘形成和损伤后髓鞘再生。CHD8激活BRG1相关SWI/SNF复合物表达,从而激活CHD7,起始染色质重塑和少突胶质细胞分化基因转录表达。同时CHD8募集MLL/KMT2组蛋白甲基转移酶复合物促进少突胶质细胞分化。抑制去甲基化酶活性可部分挽救CHD8缺失引起的髓鞘形成缺陷。CHD8通过染色质重塑和募集H3K4组蛋白甲基转移酶的双重功能促进少突胶质细胞分化,这将为CHD8相关中枢神经系统白质损伤疾病,如ASD和多发性硬化,提供新的治疗策略。


参考文献:
1. Bernier, R., Golzio, C., Xiong, B., Stessman, H.A., Coe, B.P., Penn, O., Witherspoon, K., Gerdts, J., Baker, C., Vulto-van Silfhout, A.T., et al. (2014). Disruptive CHD8 mutations define a subtype of autism early in development. Cell 158, 263-276.
2. Hardan, A.Y., Fung, L.K., Frazier, T., Berquist, S.W., Minshew, N.J., Keshavan, M.S., and Stanley, J.A. (2016). A proton spectroscopy study of white matter in children with autism. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 66, 48-53.
3. Franklin, R.J., and Goldman, S.A. (2015). Glia Disease and Repair-Remyelination. Cold Spring Harb Perspect Biol 7, a020594.
4. Emery, B., and Lu, Q.R. (2015). Transcriptional and Epigenetic Regulation of Oligodendrocyte Development and Myelination in the Central Nervous System. Cold Spring Harb Perspect Biol 7, a020461.
5. Cotney, J., Muhle, R.A., Sanders, S.J., Liu, L., Willsey, A.J., Niu, W., Liu, W., Klei, L., Lei, J., Yin, J., et al. (2015). The autism-associated chromatin modifier CHD8 regulates other autism risk genes during human neurodevelopment. Nat Commun 6, 6404.
6. Platt, R.J., Zhou, Y., Slaymaker, I.M., Shetty, A.S., Weisbach, N.R., Kim, J.A., Sharma, J., Desai, M., Sood, S., Kempton, H.R., et al. (2017). Chd8 Mutation Leads to Autistic-like Behaviors and Impaired Striatal Circuits. Cell Rep 19, 335-350.

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吾愛汝 发表于 2018-6-20 09:21:08 | 显示全部楼层
关爱自闭症人
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大脸猫的迷妹 发表于 2018-6-20 10:31:03 | 显示全部楼层
孩子喜欢自言自语,说个不停
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合约呢 发表于 2018-6-20 11:17:08 | 显示全部楼层
不和别的小孩玩,三岁半不会说话,有刻板行为,认知能力差,意识淡薄!自己能力也差!
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喜闻乐见 发表于 2018-6-20 11:59:32 | 显示全部楼层
至今世界上没有一例治愈自闭症的先例,说这些有什么用?还是加紧研究自闭症的病因与治疗方法,让他们能像正常人一样融入社会,这样才能造福自闭症患者。
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迈着猫步奔夕阳 发表于 2018-6-20 13:25:20 | 显示全部楼层
星星的孩子
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