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.2022年1月14日;13(1):27.
doi:10.1038/s41467-021-27601-0。

在DLG2敲除的人类胚胎干细胞中,调节神经元分化的转录程序被破坏,并富含精神分裂症和相关疾病风险变体

附属公司

在DLG2敲除的人类胚胎干细胞中,调节神经元分化的转录程序被破坏,并富含精神分裂症和相关疾病风险变体

布雷特·桑德斯等。 国家公社. .

摘要

基因表达的协调程序推动大脑发育。目前尚不清楚哪些转录程序,哪些细胞类型,在精神分裂症等神经精神疾病中受到影响。在这里,我们将人类遗传学与人类胚胎干细胞分化为皮层兴奋性神经元的转录组数据相结合。我们发现在体外和人类胎儿皮层早期神经发生期间表达的转录程序在DLG2中下调-/-线。下调影响神经元的分化和成熟,损害迁移、形态和动作电位的产生。这些程序中的遗传变异与神经精神障碍和认知功能有关,相关变异主要集中在功能丧失不耐受基因中。神经原程序也与先前在成熟兴奋性神经元中发现的精神分裂症GWAS富集重叠,表明产前皮层发育期间活跃的通路也可能与成熟神经元功能障碍有关。我们从人类胚胎干细胞获得的数据,结合对现有胎儿皮层基因表达数据、新发现的罕见变异以及神经精神疾病和认知的GWAS统计数据的分析,揭示了调节兴奋性皮层神经发生的转录程序的趋同性。

PubMed免责声明

利益冲突声明

D.D.A.、Y.Z.、A.H.、W.G.、M.O.D.、M.O.和A.P.得到了武田的合作研究资助(武田没有参与本研究的构思、设计、实施或解释)。其他作者报告称,他们与商业利益没有财务关系。其余作者声明没有相互竞争的利益。

数字

图1
图1。研究设计和差异表达基因的数量。
研究总结。DLG2(数据链路2)−/−和野生型(WT)hESCs分化为皮层兴奋性神经元,并在多个时间点收集RNA:每个时间点显示的主要细胞类型(NSCs,神经干细胞;NPC,神经前体细胞)。差异表达基因(DEG)的遗传分析显示,SZ GWAS在第30天表达下调的基因中富集DLG2(数据链路2)−/−与早期神经发生一致的品系:通过GO项分析预测的相应表型经实验验证。根据连续发育时间点之间的差异基因表达,确定神经发生期间活跃的转录程序。精神分裂症(SZ)常见变异风险集中在两个早期神经原程序中DLG2(数据链路2)−/−细胞。在早期(但不是晚期)神经原性项目中,功能不耐受性丧失(LoFi)基因过多。早期神经原程序中的LoFi基因丰富了导致精神障碍的常见/罕见变异(ASD自闭症谱系障碍;ADHD注意缺陷多动障碍;BP双相障碍;MDD严重抑郁障碍)和认知(IQ),但ASD患者(SIB)或阿尔茨海默病(AD)的同胞未受影响。与早期和晚期神经原程序的重叠捕获了之前报道的在CA1锥体神经元中相对于其他脑细胞类型(锥体神经元)高表达基因的SZ GWAS关联高的). 在人类胚胎皮层的神经发育细胞类型中,对每个疾病相关神经原程序的体外表达谱进行了重述。b条皮层分化方案概述,包括关键发育过程的大致时间和培养中存在的主要细胞类型。星号表示为RNA测序选择的时间点。c(c)(f)PDZ配体(NR2 C末端)亲和力下拉菜单中DLG2蛋白水平的无标签定量(LFQ)(n个 = 第30天和第60天,每个重复4次)DLG2(数据链路2)−/−使用LC-MS/MS分析。应用Bonferroni多重比较校正的单向方差分析c(c)(F类2,9 = 45.54,P(P) = 1.96×10−5)和e(电子)(F类2,9 = 172.9,P(P) = 6.59×10−8). Kruskal–Wallis检验和Dunn多重比较校正应用于d日(高(2) = 10.46,第页 = 0.0061)和(f)(高(2) = 11.00,第页 = 0.0061). *第页<0.05; **第页<0.01; ****第页<0.0001与重量。差异表达的蛋白质编码基因数量DLG2(数据链路2)−/−每个时间点相对于WT的单元格。源数据作为源数据文件提供。
图2
图2。常见的风险变体暗示精神分裂症的神经发生中断。
每个时间点上调/下调基因(DEG)与精神分裂症GWAS的相关性(DLG2(数据链路2)−/−相对于WT),对所有表达基因进行调节。b条基因本体(GO)术语在第30天下调的基因中过度表达DLG2(数据链路2)−/−与所有表达基因相关的系(单侧Fisher精确检验)。重叠基因数(N重叠),浓缩比值比(OR),加上生的和Bonferroni校正的第页给出了值(P(P)重叠,P(P)重叠已更正),其中修正是针对测试的GO术语总数。c(c)NEUN western blot蛋白质定量。两种基因型都没有(F类1,90 = 0.1852;P(P) = 0.6680)或时间(F类3,90 = 0.5382;P(P) = 0.6573)对NEUN表达有显著影响(WTn个 = 10, 9, 10, 9; n个 = 每个基因型分别在第30、40、50和60天的2个独立实验中获得14、14、16、16个生物重复)。d日TBR1蛋白印迹定量。两种基因型都没有(F类1,95 = 0.3899;P(P) = 0.5338)或时间(F类3,35 = 0.5052;P(P) = 0.6793)对TBR1的表达有显著影响(WTn个 = 10、10、9、10个生物重复,分别为第30、40、50和60天;n个 = 每个时间点16个生物重复;来自每个基因型的3个独立实验)。e(电子)CTIP2蛋白印迹定量。基因型(F类1,86 = 39.89;P(P) = 1.14×10−8)和时间(F类3,86 = 5.262;P(P) = 0.0022)对CTIP2表达(WTn个 = 10、7、7、10;n个 = 17、12、13、18个生物重复序列;每个基因型分别在第30、40、50和60天进行2次独立实验)。(f)国际商会对NEUN的量化+细胞。时间(F类3,52 = 7.018,P(P) = 0.0005)对NEUN表达有显著影响;基因型(F类1,52 = 1.687;P(P) = 0.1998)没有(重量n个 = 6个生物重复;n个 = 每个基因型在每个时间点来自2个独立实验的9个生物重复)。国际商会TBR1量化+细胞。时间(F类3,58 = 4.738,P(P) = 0.0050)对TBR1表达有显著影响;基因型(F类1,58 = 1.664;P(P) = 0.2022)没有(WTn个 = 7, 6, 6, 7; n个 = 每个基因型分别在第30、40、50和60天进行3、2、2、3个独立实验,得到11、9、9、11个生物重复)。小时CTIP2的ICC量化+细胞。基因型(F类1,67个 = 101.8;P(P) = 4.46×10−15)和时间(F类3,67 = 18.93;P(P) = 5.33×10−9)对CTIP2表达有显著影响(WTn个 = 10, 6, 6, 7; n个 = 每个基因型分别在第30、40、50和60天进行3、2、2、3个独立实验,得到17、9、9、11个生物重复)。NEUN、TBR1和CTIP2的代表性ICC图像以及DAPI核染色。蛋白质印迹(c(c)e(电子))和ICC数据((f)小时)通过双向方差分析进行分析,并使用Bonferroni校正进行事后比较,与WT对照组进行比较。恒星表示Bonferroni修正第页值*P(P)<0.05; **P(P)<0.01; ***P(P)<0.001; ****P(P)<0.0001与WT控制。源数据作为源数据文件提供。
图3
图3。DLG2(数据链路2)−/−线条显示神经元形态和迁移缺陷。
初级神经突起的数量(从胞体突出)。两种基因型都没有(F类1,126 = 1.591;P(P) = 0.2095)或时间(F类1,126 = 2.278;P(P) = 0.1337)对初级突起数量有显著影响。b条次级突起的数量(从初级突起突出)。基因型(F类1,126 = 18.78,P(P) = 2.97×10−5)对次级突起的数量有显著影响,而时间(F类1,126 = 1.082,P(P) = 0.3003)没有。c(c)神经突总长度。两种基因型(F类1,126 = 4.568;P(P) = 0.0345)和时间(F类1,126 = 26.33;P(P) = 1.06×10−6)对神经突总长度有显著影响。然而,事后分析显示,在各个时间点没有显著差异。d日躯体区域。两种基因型都没有(F类1,136 = ;P(P) = 0.9170)无时间(F类1,136 = 1.399;P(P) = 0.2390)对体面积有显著影响。对于d日重量n个 = 来自3个独立实验的32、38个细胞,分别在30天和70天;n个 = 来自3个独立实验的32、28个细胞,分别在30天和70天。e(电子)显示神经元形态的代表性痕迹。(f)神经元迁移的平均速度超过70h、 从皮质分化第40天开始。DLG2(数据链路2)−/与WT相比,神经元的平均迁移速度显著降低(t吨52 = 6.1175;P(P) = 1.26×10−7;n个 = 27). 对于(f)WT和KOn个 = 来自3个独立实验的27个细胞。70岁时神经元的位移h迁移。DLG2(数据链路2)−/与WT相比,神经元的位移显著减少(t吨52 = 3.244;P(P) = 0.0021;n个 = 27).小时70岁以上特定来源神经元迁移的代表性痕迹h.形态学数据集(d日)通过双向方差分析进行分析,并使用Bonferroni校正进行事后比较,与WT对照组进行比较。迁移数据集((f),)由未配对的双尾学生t吨测试。酒吧上方的星星代表**P(P)<0.01; ****P(P)<0.0001与WT对照(Bonferroni校正用于形态学分析)。源数据作为源数据文件提供。
图4
图4。DLG2(数据链路2)调节一系列促进神经发生和分化的转录程序。
野生型(WT)中每对连续时间点之间上调和下调基因中常见精神分裂症风险变体的富集,以所有WT表达基因为条件。虚线表示P(P)已更正 = Bonferroni校正6次测试后0.05。b条根据WT在时间点之间的差异表达,确定了神经发生开始后启动的四个离散转录程序:早期增加的,基因在第20-30天(20-30天)显著上调向上的重量)以及第30天和第60天(30-60向上的重量);早期稳定的基因,存在于20–30向上的重量和20-60向上的重量但不是30–60向上的重量;早期瞬态(20–30向上的重量但不是20–60向上的重量); 晚的(30–60向上的重量但不是20–30向上的重量)。c(c)SZ GWAS在每个转录程序中富集,进一步分裂成在DLG2(数据链路2)−/−第30天的行(例如,早期稳定−/−)以及那些不稳定的(例如,早期稳定仅WT). 使用MAGMA对所有表达基因进行单侧测试(全部的重量+KO); 未加工和Bonferroni校正第页给出了值(P(P)全球水资源系统,P(P)全球水资源系统已更正),其中修正是针对测试的7个基因。d日采用单边Fisher精确检验,确定与主要监管机构目标相比,项目代表性过高全部的重量+KO; 生的和Bonferroni修正的第页给出了值(P(P)重叠,P(P)重叠已更正),其中修正是针对执行的21个测试(3个程序x 7个调节器)。修正后的所有10个程序调节器富集P(P)<遗传分析采用0.05。在MAGMA中进行了双面测试,以研究SZ关联的调节靶点是否比该程序中的其他基因更丰富,条件是全部的重量+KO以及整个程序。原始和Bonferroni修正第页给出了值(P(P)全球水资源系统,P(P)全球水资源系统已更正),其中修正是针对测试的10组。e(电子)SZ GWAS在GO术语中的富集,有独立证据表明早期增长中存在过度代表性−/−基因,使用MAGMA进行双侧试验,对所有表达和所有早期增加的基因进行调节−/−基因。原始和Bonferroni修正第页给出了值(P(P)全球水资源系统,P(P)全球水资源系统已更正),其中修正是针对测试的16个术语。粗体表示测试未通过Bonferroni修正。源数据作为源数据文件提供。
图5
图5。的电生理特性DLG2(数据链路2)−/−神经元。
静息膜电位(t吨27 = 2.151,P(P) = 0.0406)和b条输入电阻(t吨27 = 0.3366,P(P) = 0.7390),第50天WT和DLG2(数据链路2)−/−神经元(n个 = 分别为15和14,非配对双尾t吨测试)。c(c)电流阶跃注入时激发动作电位(AP)的细胞百分比。d日电流阶跃注入(−60)诱发的第一次超调AP和AP的轨迹示例pA至120pA,增量20pA,持续时间1s) ●●●●。e(电子)AP高度(t吨16 = 3.661,P(P) = 0.0021),(f)AP半宽(t吨16 = 4.462,P(P) = 0.0004),AP最大去极化速度(t吨16 = 2.463,P(P) = 0.0255),小时AP最大复极速度(t吨16 = 3.728,P(P) = 0.0018),尖峰阈值电压(t吨16 = 0.004093,P(P) = 0.9968)和j个变阻器基极电流(t吨16 = 0.4061,P(P) = 0.6900),第50天WT和DLG2(数据链路2)−/−神经元(n个 = 分别为12和6,非配对双尾t吨测试)。k个用荧光染料注射法对第50天神经元进行全细胞膜片钳固定的示例。第50天起的自发兴奋性突触后电流(sEPSC)示例()和60()神经元。WT和60天神经元的振幅和频率DLG2(数据链路2)−/−神经元可与未配对的双尾神经元进行比较t吨测试(第50天,振幅:t吨68 = 0.6974,P(P) = 0.4879,n个 = WT和KO为34和36;频率:t吨66 = 0.5467,P(P) = 0.5865,n个 = WT和KO为33和35;第60天振幅:t吨59 = 1.021,P(P) = 0.3114,n个 = WT和KO为31和30;频率:t吨58 = 0.7671,P(P) = 0.4464,n个 = WT和KO各30个)。n个显示sEPSC的单元格百分比。o(o)第65天突触体DLG4的Western blot分析DLG2(数据链路2)−/−神经元,显示DLG4表达增加的趋势DLG2(数据链路2)−/−神经元(t吨2 = 2.157,P(P) = 0.1637之间,n个 = 2,非成对双尾t吨测试)*第页<0.05; **第页<0.01; ***第页<0.001之间。所有数据均表示为平均值±SEM和均来自两个独立的实验。源数据作为源数据文件提供。
图6
图6。神经精神疾病风险变异体在早期神经原转录程序中定位于LoF不耐受基因。
LoFi基因富集/缺失程序的鉴定(P(P)重叠)相对于所有表达基因(双侧Fisher精确检验)。原始和Bonferroni修正第页给定的值(P(P)重叠,P(P)重叠已更正),其中修正是针对执行的4个测试。b条LoFi基因根据其与早期神经原程序的重叠进行划分。维恩图的每一段显示了每个子集中的基因数量以及回归系数(β)和(未修正)第页价值(P(P))对于精神分裂症(SZ)常见变异富集(单侧MAGMA试验),条件反射全部的重量+KO粗体表示经过7次测试的Bonferroni修正后的富集。c(c)使用双边泊松比检验来识别富集了从头开始与所有其他表达基因相比,智障/严重神经发育迟缓(ID/NDD)、孤独症谱系障碍(ASD)和SZ患者的LoF突变。ASD患者的未受影响同胞(SIB)作为对照进行分析。数据点位于x个轴表示增加的速率(速率比 > 1) ,以下表示降低的比率(比率<1). 虚线表示P(P)已更正 = Bonferroni校正7次测试后0.05(每种障碍测试4个LoFi+3个非LoFi集)。d日测试中的比率(集合中的基因与所有其他表达基因)c(c)点线表示比率为1(即,集合中的突变率等于所有其他基因中的突变速率)。e(电子)对导致ASD、注意缺陷/多动障碍(ADHD)、双相情感障碍(BP)、重度抑郁障碍(MDD)和阿尔茨海默病(AD)的常见变异进行程序(通过LoFi基因重叠划分)富集测试(单侧MAGMA测试)。包括用于比较的SZ值(图6b)。虚线表示P(P)已更正 = Bonferroni校正7次测试后0.05(每种障碍测试4个LoFi+3个非LoFi集)。(f)试验的影响大小(来自MAGMA基因集富集试验的β系数)如所示e(电子)粗体表示测试未通过Bonferroni校正。源数据作为源数据文件提供。
图7
图7。人类胎儿皮层神经发育细胞类型中早期神经发生程序的表达。
鉴定CA1锥体神经元相对于其他脑细胞类型(锥体神经元)高表达基因的富集/缺失程序高的); 与所有表达的基因相比富集(双侧Fisher精确检验)。原始和Bonferroni修正第页给定的值(P(P)重叠,P(P)重叠已更正),修正是针对所执行的4个测试。b条金字塔高的基因是根据它们与神经原程序的重叠来划分的。维恩图的每一段显示了每个子集中的基因数量以及回归系数(β)和未修正的第页价值(P(P))对于SZ共同变异富集(单侧MAGMA测试),对所有表达的基因进行调节。粗体表示经过7次测试修正后的富集。c(c)使用单侧Fisher精确检验来确定金字塔中已知/预测目标过度代表的关键监管机构高的与所有表达基因相比,与晚期神经原程序重叠的基因;生的和Bonferroni修正的第页给出了值(P(P)重叠,P(P)重叠已更正),其中修正是针对测试的7个调节器组。d日根据先前发表的一项关于人类胚胎皮层跨神经发生高峰期的单细胞RNA-seq研究,鉴定并提取了与不同神经发育细胞类型(RG径向胶质细胞;IPC中间祖细胞)相对应的细胞,包括不同成熟期的细胞类型(方法)。>80%的基因属于玻璃体定义的早期神经原程序中的每个基因,55%的基因属于晚期锥体高的胎儿数据(早期瞬态−/− n个 = 665个基因;早期稳定的−/− n个 = 1484个基因;早期增加的−/− n个 = 431个基因;晚期锥体高的 n个 = 101个基因)。对于每个程序,计算每个胎儿细胞类型/发育阶段的基因水平表达平均值的平均值和标准误差(见正文/方法)。胎儿数据直接捕获(RG神经元)和间接(RG工控机神经元)神经原途径。我们第30-60天体外培养的(深层)神经元主要是通过直接神经原途径产生的。对于每个项目,使用双尾Student’st吨测试和第页Bonferroni校正了6个成对比较的值*第页<0.05; **第页<0.01; ****第页<0.0001. 所有数据均表示为平均值±SEM.粗体表示测试未通过Bonferroni修正。确切地说第页在补充数据10中提供了值。
图8
图8。早期皮质神经发生的疾病病理生理学模型。
每个疾病相关转录程序的主要GO术语富集总结(补充数据7)以及它们之间的重要调控相互作用。指出了关键调节因子、全基因组显著的罕见编码变异体以及导致孟德尔神经发育综合征的罕见突变。b条神经发育连续/梯度模型。显示的疾病有:ID/NDD智力残疾/严重神经发育迟缓;自闭症谱系障碍;注意缺陷多动症;深圳精神分裂症;BP双相情感障碍;MDD重度抑郁障碍。

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    1. Cardno股份公司,戈特斯曼二世。精神分裂症的双胞胎研究:从弓箭一致性到星球大战Mx和功能基因组学。美国医学遗传学杂志。2000;97:12–17.-公共医学
    1. Sullivan PF、Kendler KS、Neale MC。精神分裂症作为一种复杂特征:来自双胞胎研究的荟萃分析证据。架构(architecture)。Gen.精神病学。2003;60:1187–1192.-公共医学
    1. 国际精神分裂症联合会。等。常见的多基因变异导致精神分裂症和双相情感障碍的风险。自然。2009;460:748–752.-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Fromer M等人。精神分裂症的从头突变涉及突触网络。自然。2014;506:179–184.-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Purcell SM等人。精神分裂症罕见破坏性突变的多基因负担。自然。2014;506:185–190。-项目管理咨询公司-公共医学

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