摘要
[背景与目的] 亨廷顿病（Huntington''sDisease，HD）是一种致死性的显性遗传神经退行性疾病，通常在中年发病，其致病机理是编码亨廷顿蛋白（huntingtin,HTT）的基因出现额外的CAG扩增。病理学上，HD表现为大脑中的神经元逐渐丧失，尤其是纹状体和皮层中的神经元。携带突变亨廷顿蛋白（mutanthuntingtin，mHTT）的无症状儿童中常见大脑结构的缺陷，如皮层变薄和颅内容积变小。在细胞水平上，mHTT影响了HD胎儿和HD小鼠模型中大脑皮层神经前体细胞的分裂和迁移。人类皮层发生是一种在时间和空间上精确调节的级联过程，包括前体细胞增殖、神经元命运决定以及神经元布线和连接的建立。然而目前尚不清楚mHTT如何损害人类胎儿皮层的级联发育过程并减少皮层体积。 HTT是一种重要的蛋白质，具有多种的作用，如调节神经发生和囊泡运输，还影响轴突运输和内吞作用等。最近，我们的研究发现HTT和mHTT形成了一个编织状的结构组合，并紧扣平坦的高尔基体，为网格蛋白clathrin包被的囊泡提供了轨道。在HD成纤维细胞和HD可诱导多潜能干细胞（inducedpluripotentstemcells,iPSCs）定向分化的GABA神经元中，mHTT会导致高尔基体结构的改变和clathrin囊泡的减少。高尔基体几乎参与了细胞的所有生物活动，尤其是细胞连接的形成和细胞内膜结构的延伸。研究表明高尔基小泡的正确定位对神经元的极化、特性和分化至关重要。值得注意的是，高尔基体的结构和功能变化是包括HD在内的许多神经退行性疾病病理过程中的早期事件，表明高尔基体的损伤可能是导致HD中皮层发育障碍的关键。 由于人脑解剖学与功能学上的复杂性，啮齿类动物模型的研究结果并不能完全反映人类的情况。与常用的啮齿类动物模型相比，来自hES/iPSCs的人脑类器官更好地模拟了人脑发育和神经系统疾病的病变。此外，区域特异性脑类器官的融合可以模拟出各脑区之间的相互作用，例如细胞迁移和长距离轴突连接。这表明了人脑类器官是研究神经发育障碍发病机制的有效工具。在此，我们利用皮层类器官（humancorticalorganoid，hCO）和皮层-纹状体融合类器官（humancortico-striatalorganoid,hC-StrO）逐步描绘HD患者皮层发育的异常轨迹。此外，我们在体外重现了HD皮层下投射，用于探究HD异常的皮层神经发生过程是否改变了皮层下投射。在此基础上我们发现了mHTT/HTT组装体影响了高尔基体正常结构组装和高尔基体相关的囊泡运输，并在神经管顶端区域形成了缺陷的连接复合物，从而导致皮层前体细胞的过早神经分化。而这些过早分化的前体细胞无法进一步分化为正常的成熟皮层投射神经元。我们的模型进一步补充了HD病理生理学的组成部分——异常的神经发育，并提出了HD的一个新的致病机制。 [方法] 我们将来自同一家系的两个HD病人和一个正常人的iPSCs以及一个ES细胞系H9在体外采用同一方案定向分化至皮层类器官，并构建了皮层纹状体融合类器官，利用免疫荧光技术和Bulk-RNA测序，分别在转录水平和蛋白水平探究病人组和正常组皮层类器官之间皮层的早期神经发生以及皮层下投射是否存在不同，并进一步利用激光共聚焦显微镜的扫描与3D重建探究了mHTT如何影响高尔基复合体并参与HD皮层类器官中早期的皮层发生改变。 [结果] 我们成功将HD病人、正常人的iPSC和H9分化为皮层类器官，并成功建立了皮层-纹状体融合类器官。我们研究发现:（1）HDhCO中的神经管相比正常组整体结构变小，前体细胞增殖能力下降。（2）HDhCO中出现了与HD胎儿大脑一致的病理表型——前体细胞提前分化。（3）HDhCO中皮质板样区域出现皮层投射神经元的分层混乱与分化障碍，可能是与有丝分裂后神经元延迟成熟有关。（4）体外构建的皮层-纹状体融合类器官提早出现成熟的HD皮层下投射。（5）mHTT/HTT改变了高尔基结构和囊泡运输，最终可能导致了HD神经上皮连接的损坏。（6）转录组数据证明了HDhCO中神经发育和细胞黏附相关过程发生了改变。 [结论] 使用HDiPSC系生成的皮层类器官和hC-StrO融合类器官，我们发现mHTT/HTT组装体减少了囊泡运输，并在神经上皮细胞中形成有缺陷的连接复合物结构，导致顶端祖细胞的过早脱离和分化，造成混乱的皮层发育，包括神经元的延迟成熟和亚型分化障碍，形成异常的早期HD皮层下投射。我们的HDhCO复制了早期HD大脑发育的细胞和亚细胞病理学，并揭示了从受损的连接复合体到混乱的皮质板分层的异常皮层发生级联过程。
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