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(資料圖片僅供參考)
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日，
中國科學(xué)院北京生科院孫中生團(tuán)隊(duì)、溫州醫(yī)科大學(xué)、首都兒科研究所合作，在 Advanced Science 上， 在線發(fā)表了 題為
Loss-of-Function of p21-Activated Kinase 2 Links BMP Signaling to Neural Tube Patterning Defects
的研究論文。該研究聚焦神經(jīng)管畸形的致病機(jī)制，綜合運(yùn)用神經(jīng)生物學(xué)、人類遺傳學(xué)、多組學(xué)等技術(shù)手段，在多種模式生物中揭示了
PAK2
調(diào)節(jié)背外側(cè)鉸鏈點(diǎn)形成和神經(jīng)管發(fā)育及其功能異常所致神經(jīng)管畸形的致病機(jī)理，為探究神經(jīng)管畸形的病理機(jī)制提供了嶄新視角。
神經(jīng)管是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的基礎(chǔ)，在胚胎后期發(fā)育成腦和脊柱。在脊椎動(dòng)物中，神經(jīng)管閉合是高度復(fù)雜的動(dòng)態(tài)調(diào)控過程，涉及許多由遺傳和表觀遺傳因素精確控制的細(xì)胞事件。神經(jīng)管閉合異常會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)管畸形。神經(jīng)管畸形致死率和致畸率較高，給患者家庭帶來沉重的經(jīng)濟(jì)與精神負(fù)擔(dān)。神經(jīng)管畸形
是胎兒和新生兒中最嚴(yán)重的出生缺陷類疾病之一。
PAK 家族是一類可以調(diào)控細(xì)胞骨架的蛋白激酶。該團(tuán)隊(duì)的前期研究確定了 PAK2 在腦發(fā)育中的重要功能，并闡明了 PAK2 在自閉癥發(fā)病中的分子機(jī)制（ Wang et al., 2018 ）。本研究發(fā)現(xiàn) Pak2 純和缺失小鼠在胚胎期 9.5 天時(shí)發(fā)育遲緩，表現(xiàn)出顱脊柱裂的表型。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在胚胎期 9.5 天時(shí)， Pak2 純和缺失小鼠未能在后腦和脊柱部位抬起雙側(cè)神經(jīng)板，導(dǎo)致背外側(cè)鉸鏈點(diǎn)形成失敗。這提示 PAK2 基因?qū)τ谡麄€(gè)頭尾胚軸的背外側(cè)彎曲是必要的。研究通過分析胚胎期 9.5 天的轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)， Pak2 純和缺失小鼠的差異表達(dá)基因顯著富集到初級神經(jīng)管形成、前腦、中腦、后腦發(fā)育、模式特化過程和脊柱發(fā)育過程。這些差異表達(dá)基因還顯著地富集于 BMP 信號通路。 BMP 信號通路的多個(gè)配體，如 BMP4/5 和下游 Smad9 的磷酸化水平，均在 Pak2 純和缺失小鼠中顯著增加?？蒲袌F(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將 Smad9 蛋白 417 位點(diǎn)絲氨酸突變后可減弱 PAK2 和 Smad9 蛋白的相互作用，并解除 PAK2 對 Smad9 蛋白 465 位點(diǎn)絲氨酸磷酸化的抑制。上述工作提示 PAK2 可通過調(diào)控 Smad9 蛋白的磷酸化水平，從而抑制 BMP 信號通路，促使雙側(cè)神經(jīng)板的抬起和神經(jīng)管背外側(cè)鉸鏈點(diǎn)形成。 ?
單細(xì)胞測序技術(shù)進(jìn)一步顯示， Pak2 純和缺失后可影響中胚層細(xì)胞向神經(jīng)管及前腦和脊柱的分化軌跡，使得與神經(jīng)管和神經(jīng)管發(fā)育而成的前腦、后腦、脊柱等相關(guān)的細(xì)胞類型顯著下降。與野生型胚胎相比， Pak2 純和缺失胚胎的神經(jīng)管發(fā)育分?jǐn)?shù)及前腦（尤其是間腦部分）發(fā)育分?jǐn)?shù)降低。同時(shí)， BMP 信號通路及該信號通路中的基因表達(dá)在 Pak2 純和缺失胚胎中增加。這提示 Pak2 純和缺失胚胎中異常的分化時(shí)序與異常的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)相關(guān)。 ?
該團(tuán)隊(duì)在流產(chǎn)的神經(jīng)管畸形胎兒中檢測到 5 個(gè)位于 PAK2 基因的點(diǎn)突變。研究運(yùn)用 NanoString 檢測方法，發(fā)現(xiàn)攜帶 PAK2 突變的胎兒腦組織中 PAK2 的水平降低而 BMP 信號通路中多個(gè)基因的水平增加。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn) PAK2 突變點(diǎn)可影響 PAK2 蛋白的穩(wěn)定性，抑制 ATP 轉(zhuǎn)化 ADP 的水平，顯著降低 PAK2 的活性形式 pPAK2 的水平，提示該突變位點(diǎn)影響 PAK2 激酶活性。 ?
研究在斑馬魚中用 CRISPR-Cas9 系統(tǒng) 構(gòu)建了 pak2a 的特異敲除模型。該模型在出生后 48 小時(shí)后在頭部背前側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)明顯的空腔，提示其神經(jīng)管發(fā)育異常。研究在敲除 pak2a 的斑馬魚中過表達(dá)神經(jīng)管畸形患者攜帶的 PAK2 突變位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)不能改善斑馬魚神經(jīng)管畸形的表型。 ?
綜上，該研究以神經(jīng)管特定發(fā)育事件（背外側(cè)鉸鏈點(diǎn)形成）為出發(fā)點(diǎn)、從細(xì)胞動(dòng)態(tài)時(shí)序發(fā)育過程（單細(xì)胞測序技術(shù)）、分子機(jī)制（磷酸化激酶活性）和信號通路（ BMP 通路）等多水平，在多種脊椎類生物中闡明了 PAK2 在神經(jīng)管發(fā)育的作用機(jī)制。 ?
研究工作得到國家自然科學(xué)基金和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃等的支持。 ?
論文鏈接
圖1. Pak2 純和缺失胚胎中異常的分化時(shí)序 ?
圖 2 . PAK2 在神經(jīng)管發(fā)育的作用機(jī)制 ?
標(biāo)簽： 神經(jīng)管畸形 差異表達(dá) 突變位點(diǎn) 作用機(jī)制
