Cell Stem Cell：操縱PTEN基因培養出具有表面褶皺的大腦類器官

2017年1月1日/生物谷BIOON/---人類大腦如此獨特的一個方面在於大腦皮層的尺寸和結構。但是，是什麼促進人類大腦皮層---可能是我們具有獨特的智力能力的基礎---生長？

在一項新的研究中，來自美國懷特海德研究所的研究人員對一種似乎調節著人類大腦皮層生長、結構和組裝的特定基因通路獲得新的認識。他們也證實三維人類大腦類器官---微型的實驗室培養的特定大腦結構版本---能夠有效地為人大腦發育的分子過程、細胞過程和結構過程構建模型。他們給出一種鑒定受到寨卡病毒影響的細胞的新途徑。相關研究結果於2016年12月29日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Induction of Expansion and Folding in Human Cerebral Organoids」。

論文共同第一作者、懷特海德研究所博士後研究員Yun Li說，「我們發現增加的神經祖細胞（neural progenitor cell, NPC）增殖促進人大腦類器官中的皮層組織擴大和皮層褶皺。再者，我們確定剔除PTEN基因允許NPC細胞中生長因子信號增加，從而釋放它的生長潛力和促進增殖。」

這些發現支持了一種觀點：NPC細胞增殖潛力的增加促進人大腦新皮層擴大和表面褶皺的出現。

利用正常的NPC細胞，人大腦類器官產生相對小的具有平滑表面外觀的細胞簇，並且表現出人類皮層早期發育的一些特徵。然而，剔除PTEN允許NPC細胞群體繼續增殖和延緩它們分化為特定類型的神經元---發育中的人皮層的兩個關鍵特徵。論文共同第一作者、懷特海德研究所博士後研究員Julien Muffat解釋道，「鑒於PTEN發生突變的NPC經歷更多輪的分裂，並且更長時間保持它們的祖細胞狀態，這種人大腦類器官長得顯著地更大和具有顯著褶皺的皮層組織。」

作出對比，他們發現儘管在小鼠細胞中，剔除PTEN確實會構建出某種程度上比正常時更大的類器官，但是它不會導致顯著的NPC增殖或褶皺。論文通信作者、懷特海德研究所創始成員Rudolf Jaenisch說，「之前的研究已提示著PTEN表達的異常變化可能在促進導致自閉症譜系障礙等綜合征的大腦發育癥狀中發揮著一種重要的作用。我們的發現提示著PTEN通路也是一種控制在物種之間觀察到的大腦結構差異的重要機制。」

研究人員選擇關注PTEN基因，是因為之前已證實它在皮層發育中發揮一些功能，而且在調節多種譜系的祖細胞中發揮作用。顯著地，PTEN功能缺失突變與人畸形巨頭相關聯。

在這項研究中，剔除PTEN基因會增加PI3K-AKT通路激活，因而增強人NPC細胞中的AKT活性；它促進細胞周期再進入和短暫地延遲神經元分化，導致放射狀膠質細胞和中間前體細胞群體顯著增加。為了驗證PTEN在這種分子機制中發揮作用，研究人員利用AKT抑制劑逆轉PTEN剔除帶來的影響。他們也發現他們能夠通過調整AKT信號的強度來調節增殖和褶皺的程度：下降的AKT信號會導致更小的平滑的類器官，而增加的AKT信號會導致更大的更多褶皺的類器官。

最後，研究人員利用這種三維人大腦類器官系統來證實寨卡病毒感染會損害皮層生長和褶皺。在這種類器官中，寨卡病毒感染在表面褶皺處發生會導致廣泛的細胞凋亡；10天後，它已嚴重地阻礙類器官生長和表面褶皺。寨卡病毒對4周大的類器官的感染表明相比於正常的類器官，發生PTEN突變的類器官更加容易遭受感染；顯著地，它們表現出增加的細胞凋亡和下降的NPC細胞增殖。

Li說，「儘管這並不是我們的研究的最初目標，但是我們證實三維人類皮層類器官能夠非常有效地用於寨卡病毒感染建模---更好地讓研究人員能夠觀察人大腦組織如何對這種感染作出反應和測試潛在的療法。」（生物谷 Bioon.com）

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Induction of Expansion and Folding in Human Cerebral Organoids

Yun Li8, Julien Muffat8, Attya Omer, Irene Bosch, Madeline A. Lancaster, Mriganka Sur, Lee Gehrke, Juergen A. Knoblich, Rudolf Jaenisch

doi:10.1016/j.stem.2016.11.017