SMARCA1基因变异导致X连锁神经发育障碍：NURF复合物组成的调控作用

《Nature Communications》：Pathogenic variants in SMARCA1 cause an X-linked neurodevelopmental disorder modulated by NURF complex composition

本研究针对SMARCA1基因变异相关的神经发育障碍（NDD）开展系统性研究，通过对35例患者队列分析发现SMARCA1变异可导致智力障碍/发育迟缓（ID/DD）、语言发育迟滞/倒退、自闭症谱系障碍（ASD）等临床表现，并首次揭示NURF复合物亚基转换机制在脑发育中的关键作用，为理解染色质重塑异常导致NDD的分子机制提供新视角。

　　

在神经发育障碍研究领域，染色质重塑复合物的功能异常日益受到关注。其中，ISWI家族的染色质重塑酶通过组成不同的蛋白复合物参与神经发育调控。然而，与BAF复合物相比，ISWI复合物在神经发育障碍中的作用机制尚不明确。特别是NURF复合物的催化亚基SMARCA1，虽然其在哺乳动物NURF复合物中主要存在，但其致病性变异与神经发育障碍的关联尚未得到系统研究。

为了解答这一问题，由Ghayda M. Mirzaa和David J. Picketts领导的研究团队开展了国际合作研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。研究人员通过MatchMaker Exchange网络收集了来自26个家庭的35例携带SMARCA1变异的患者，结合功能实验和小鼠模型，系统阐述了SMARCA1相关神经发育障碍的临床特征和分子机制。

研究主要采用了以下关键技术方法：全外显子组测序和全基因组测序用于鉴定SMARCA1变异；基因组DNA甲基化分析用于探索表观遗传特征；基因编辑技术构建Smarca1条件性敲除小鼠模型；免疫共沉淀和免疫印迹分析蛋白复合物组成；行为学测试评估小鼠神经功能；免疫荧光染色分析大脑发育异常。

Identification of SMARCA1 genetic variants

研究人员首先在一个六代大家族中发现了一个与轻度至重度ID/DD和脑过度生长相关的SMARCA1无义变异（c.271C>T[p.Arg91*]）。通过扩大样本量，共鉴定出25个独特的SMARCA1变异，包括10个无义或移码变异和15个错义变异。这些变异分布在SMARCA1蛋白的功能结构域中，其中16个位于高度保守的ATP酶结构域（含SNF2-N和Helicase-C基序）和HSS组蛋白相互作用模块。

Clinical findings of individuals with SMARCA1 variants

患者队列包括26名男性和9名女性，年龄范围2至49岁。主要临床特征包括ID/DD（77%）、语言发育迟滞和/或倒退（83%）、巨脑畸形（49%）、运动发育迟缓（59%）、癫痫（23%）和肌张力低下（42%）。超过一半个体（54%）存在行为问题，其中31%被诊断为ASD。面部特征异常较为常见（58%），包括前额突出、长脸、斜睑裂、扁平鼻根伴短球状鼻、鼻孔前倾和薄上唇等。

Genomic DNA methylation profiles associated with SMARCA1 variants

基因组DNA甲基化分析显示，携带SMARCA1变异的患者外周血DNA存在轻微的全局甲基化特征。与对照组相比，SMARCA1病例表现出低甲基化模式，涉及232个差异探针。性别特异性分析发现，男性患者有212个探针显示低甲基化，女性患者有221个探针显示低甲基化，甲基化差异绝对值范围为5-16%。

SMARCA1 variants generate stable proteins that localize to the nucleus

体外实验表明，四种不同的SMARCA1变异体（R253、R259G、R751Q和E771K）均能产生稳定的蛋白质，并定位于细胞核。值得注意的是，R253无义变异产生了一个35kDa的截短蛋白，该蛋白不仅存在于细胞核，也出现在细胞质中，提示某些截短变异可能产生具有潜在显性负性功能的稳定截短蛋白。

Characterization of Smarcal conditional knockout mice

研究人员构建了Smarca1条件性敲除（KO）小鼠模型。与预期相反，Smarca1 KO小鼠大脑形态基本正常，仅在脑总宽度、胼胝体长度和齿状回颗粒细胞层面积等方面有轻微减小。胚胎期大脑发育分析显示，Smarca1 KO小鼠的放射状胶质祖细胞（Pax6⁺）、中间祖细胞（Tbr2⁺）、S期细胞（EdU⁺）和有丝分裂细胞（PH3⁺）比例与野生型无显著差异，皮质分层也正常。

Behavioral analysis of Smarcal conditional knockout mice

行为学测试发现，Smarca1 KO小鼠在暗周期活动增加，但在转棒测试、社交互动测试、旷场测试、莫里斯水迷宫和恐惧条件反射测试中与野生型小鼠无显著差异，表明Smarca1完全缺失不会导致明显的学习和记忆缺陷。

Analysis of compound NURF mutants

复合突变体分析揭示了NURF复合物组成的重要性。Bptf条件性敲除（cKO）小鼠表现出最严重的大脑皮质发育不全，其次是Smarca5突变体。有趣的是，Smarca1ex6del小鼠（产生内部截短的SMARCA1蛋白）表现出脑过度生长，而Smarca1 KO小鼠脑大小正常。当Smarca1ex6del与Smarca5缺失组合时，脑过度生长表型被抑制，表明SMARCA5可以补偿SMARCA1的完全缺失，但不能补偿突变蛋白的显性负性效应。

研究结论表明，SMARCA1变异导致一种临床表现广泛的X连锁神经发育障碍。与BPTF和SMARCA5变异引起的微脑畸形不同，SMARCA1变异常伴有巨脑畸形，这种相反的表型效应可能与NURF复合物中亚基转换的时间特异性有关。在正常皮质发育过程中，SMARCA5主要表达于增殖期神经祖细胞，而SMARCA1在分化期神经元中表达上调。SMARCA1完全缺失可由SMARCA5功能补偿，而某些SMARCA1截短变异可能通过显性负性机制影响NURF功能，导致脑过度生长。

该研究不仅明确了SMARCA1相关神经发育障碍的临床特征，还深入揭示了NURF复合物组成和剂量对大脑发育的精细调控机制，为理解染色质重塑异常导致神经发育障碍的病理机制提供了重要见解。同时，研究提出的NURF亚基转换模型为解释相关疾病表型差异提供了理论框架，对未来诊断和治疗策略开发具有指导意义。