FOXP1调控基因在神经发育过程中对精神分裂症遗传风险的动态影响

《Human Molecular Genetics》：The dynamic nature of genetic risk for schizophrenia within genes regulated by FOXP1 during neurodevelopment

本研究针对精神分裂症(SCZ)遗传风险的时间动态性这一关键问题，通过分析FOXP1功能丧失模型在不同神经发育阶段（包括孕中期、孕晚期、儿童早期和青春期）的转录组数据，发现FOXP1调控的基因对SCZ遗传风险的贡献具有显著的阶段特异性。研究首次系统揭示了P7阶段（相当于人类儿童早期）的基因集与SCZ关联最强，并明确了这些风险基因在谷氨酸能兴奋性神经元中的富集及其突触功能，为理解SCZ的发育起源提供了重要机制见解。

　　

在探索精神分裂症这一复杂精神疾病的征途上，科学家们一直试图解开一个核心谜团：遗传风险因素是如何在大脑发育的不同阶段动态发挥作用的？作为Forkhead-box蛋白家族的重要成员，转录因子FOXP1不仅与罕见的神经发育障碍（FOXP1综合征）相关，其常见变异也被全基因组关联研究(GWAS)证实与精神分裂症风险显著相关。然而，FOXP1在大脑发育全过程（从胎儿期到成年期）均有表达，这引出了一个关键科学问题：FOXP1调控的下游基因对精神分裂症遗传风险的贡献是否随着发育阶段的不同而发生变化？

以往的研究多集中于静态的遗传关联分析，缺乏对神经发育动态过程的深入探索。为了解决这一知识空白，由Deema Ali、Gary Donohoe和Derek W. Morris领导的研究团队开展了一项创新性研究，系统分析了FOXP1功能丧失模型在不同发育时间点的转录组数据，旨在揭示FOXP1调控基因在精神分裂症发病机制中的动态作用轨迹。这项重要研究成果发表在《Human Molecular Genetics》期刊上。

研究人员运用了多种前沿技术方法开展本研究。他们首先对来自FOXP1条件性敲除(Foxp1-cKO)小鼠和对照小鼠的新皮质组织RNA测序(RNA-seq)数据进行了时间进程基因表达分析，涵盖了三个关键发育阶段：P0（出生，相当于人类孕晚期）、P7（出生后7天，相当于人类儿童早期）和P47（出生后47天，相当于人类青春期）。同时，研究还纳入了来自胚胎小鼠皮质神经干细胞(NSCs)和人类脑类器官基底放射状胶质细胞(bRGCs)的数据，这些对应人类胎儿发育的孕中期阶段。通过配对差异基因表达分析识别各阶段的差异表达基因(DEGs)，并利用分层连锁不平衡评分回归(sLDSC)评估这些基因集在精神分裂症遗传力中的富集程度。此外，研究还采用了基因集富集分析(GSEA)、突触基因本体论(SynGO)分析和表达加权细胞类型富集(EWCE)分析等多种生物信息学方法，全面探索FOXP1调控基因的功能特征和细胞特异性。

时间进程基因表达分析揭示FOXP1调控的动态模式

通过对小鼠新皮质组织进行时间进程基因表达分析，研究人员发现了1146个基因（错误发现率FDR<0.05）在Foxp1-cKO对其表达的影响随时间变化而显著不同。这些基因被划分为20个具有不同表达模式的簇，其中多个簇（簇12-15和17-20）在对照组和cKO组之间表现出明显的发育阶段特异性表达差异。重要的是，这些基因的人类直系同源物（1065个基因）在精神分裂症遗传力中显著富集（P=3.45E-04），表明FOXP1对下游基因表达的调控作用确实具有发育阶段依赖性。

阶段特异性转录效应

配对差异基因表达分析显示，FOXP1在新皮质组织中的转录调控具有明显的阶段特异性。在P0、P7和P47阶段分别鉴定出423、394和1527个差异表达基因，其中仅有32个基因在所有三个时间点共同差异表达，且大多数表现出一致的调控方向（14个基因在各时间点均下调，15个基因均上调）。这一发现证实了FOXP1在发育过程中调控不同基因集的假设。

精神分裂症遗传风险的发育阶段特异性富集

sLDSC分析结果显示，FOXP1调控基因对精神分裂症遗传风险的贡献具有显著的发育阶段特异性。P0阶段的差异表达基因未显示显著富集（p=0.105），而P7（P=4.9E-06）和P47（P=5.0E-08）阶段的基因集则表现出极强的富集信号。即使排除P7和P47共享的224个基因后，两个基因集仍然保持显著富集，凸显了儿童早期和青春期阶段FOXP1调控基因在精神分裂症遗传架构中的重要性。

单细胞水平的精神分裂症相关基因富集

基因集富集分析进一步证实了P7基因集在精神分裂症相关基因中的最强富集，主要见于谷氨酸能兴奋性神经元，其次是GABA能抑制性神经元和内皮细胞。P47基因集也显示了类似但较弱的富集模式，而P0基因集仅在与非神经元细胞（如内皮细胞、少突胶质前体细胞和小胶质细胞）相关的精神分裂症基因集中富集。这一发现与GWAS数据相互印证，强调了P7阶段FOXP1调控基因与精神分裂症病理机制的紧密关联。

突触功能富集分析

SynGO分析显示，P7和P47阶段的FOXP1调控基因显著富集于多种突触前和突触后细胞组分及生物过程，包括突触后密度、突触前活性区膜、突触组装、突触小泡胞吐和突触信号传导等。相比之下，P0基因集未在任何突触术语中富集。研究人员进一步将精神分裂症GWAS相关基因映射到富集的SynGO术语，在P7和P47阶段分别鉴定出10个和26个同时与精神分裂症风险和突触功能相关的基因。

细胞类型特异性表达

细胞类型富集分析表明，P0阶段的FOXP1基因集在循环前体细胞和谷氨酸能兴奋性神经元中富集，而P7和P47基因集主要富集于谷氨酸能兴奋性神经元，P47基因集还显示在GABA能抑制性神经元中富集。这一发现与FOXP1在这些神经元亚型中的主要表达模式一致，提示了特定的细胞机制。

跨表达数量性状位点分析

研究人员发现了一个重要的trans-eQTL（跨表达数量性状位点）效应：FOXP1上的精神分裂症风险SNP rs60135207与下游风险基因PPIP5K1的表达在 cerebellum（小脑）中显著相关。具体而言，FOXP1上的T等位基因与精神分裂症风险增加以及PPIP5K1表达升高相关，为FOXP1参与精神分裂症风险的分子通路提供了直接证据。

皮质前体细胞中的FOXP1分析

对孕中期发育阶段（相当于人类胎儿发育第二季度）的前体细胞分析显示，小鼠神经干细胞和人类基底放射状胶质细胞中FOXP1功能丧失分别导致1075个和869个基因差异表达。两个模型共享85个差异表达基因，其中39个表现出一致的表达变化。sLDSC分析证实这两个前体细胞基因集均显著富集精神分裂症遗传风险，且SynGO分析显示它们富集于与P7和P47阶段重叠的突触功能术语。

研究结论与讨论部分强调了FOXP1调控基因在精神分裂症风险中的动态特性。通过整合来自不同发育阶段的转录组数据和人类遗传关联研究，本研究首次系统揭示了FOXP1对下游基因的调控作用具有明显的时间特异性，且这种动态变化与精神分裂症遗传风险密切关联。

特别值得注意的是，P7阶段（相当于人类儿童早期）的FOXP1调控基因集显示出最强的精神分裂症风险富集，主要涉及谷氨酸能兴奋性神经元中的基因和多种突触功能相关基因。这一发现与精神分裂症的神经发育假说高度一致，强调了儿童早期阶段在疾病发生中的关键作用。

研究还鉴定出多个与精神分裂症风险和突触功能相关的重要基因，如PLK2、CACNA1I、NEK1、HCN1、GRM1、GRM3、FRMPD4、DLGAP2等，这些基因在神经元发育、突触可塑性和神经环路功能中发挥重要作用。其中，PLK2响应突触活动，在树突棘形成和突触稳态调节中起关键作用；CACNA1I编码的Ca_V3.3通道调节神经元兴奋性和节律活动；而HCN1则与精神分裂症患者的工作记忆损伤相关。

此外，发现的trans-eQTL效应（FOXP1上的rs60135207 SNP与PPIP5K1表达相关）为FOXP1参与精神分裂症风险的分子通路提供了直接证据。PPIP5K1编码一种双功能肌醇激酶，调节肌醇磷酸代谢，这一通路日益被认为是精神分裂症病理生理学的重要机制。

在孕中期发育阶段，研究发现在前体细胞中FOXP1调控的基因同样与精神分裂症风险相关，并涉及突触功能，如SLC6A9（GLYT1甘氨酸转运体）可能通过调节NMDA受体功能参与精神分裂症病理过程。ARHGAP44作为孕中期和出生后阶段的共享基因，与SHANK3蛋白相互作用，后者在树突棘形成和突触可塑性中起关键作用。

本研究也存在一定局限性，如主要依赖小鼠模型数据，可能无法完全捕捉FOXP1功能在物种间的复杂性；研究仅涵盖特定发育阶段，缺少相当于人类成年期的时间点；以及不同发育阶段的数据来源和技术存在差异（如bulk RNA-seq与单细胞RNA-seq）等。

总体而言，这项研究通过创新性地整合发育生物学、遗传学和转录组学方法，揭示了FOXP1调控基因在精神分裂症风险中的动态贡献，强调了神经发育时机在理解复杂精神疾病遗传基础中的重要性，为未来针对特定发育窗口的预防和干预策略提供了重要理论基础。