唐氏综合征胎儿前额叶与颞上平面皮层细胞特异性转录组图谱揭示中期妊娠神经元迁移异常与代谢重构

《Nature Communications》：Mid-gestational cell-type-specific transcriptomic signatures in the prefrontal and superior temporal cortex in Down syndrome

本研究针对唐氏综合征（DS）胎儿中期妊娠大脑皮层发育异常机制不清的问题，通过单核RNA测序（snRNA-seq）解析了前额叶皮层（PFC）和颞上平面皮层（STP）的细胞特异性转录组特征。研究发现DS胎儿存在兴奋性/抑制性神经元比例失衡、神经元迁移关键基因（如TUBA1A、TUBB2B）及微管动态相关蛋白乳酰化修饰异常，并揭示胶质细胞通过NRXN-NLGN信号通路调控神经元迁移。该工作为理解DS脑发育病理提供了时空分辨的分子图谱，为干预策略开发奠定基础。

　　

唐氏综合征（Down syndrome, DS）作为最常见的染色体异常疾病，由人类21号染色体三体（Trisomy 21, Ts21）引起，其全球出生患病率约为1/779–1/1023。患者常表现出智力障碍、认知缺陷及阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）高风险等神经发育异常，其中大脑皮层结构异常是核心病理特征之一。然而，目前对DS胎儿期皮层发育异常的细胞分子机制了解甚少，尤其缺乏时空特异性的解析。由于伦理及样本稀缺性，中期妊娠人脑组织的研究极为有限，阻碍了对DS早期神经发育障碍根源的揭示。

为解决这一难题，遵义医科大学附属医院熊璐林团队联合国内外多家机构，在《Nature Communications》上发表了最新研究。该研究通过单核RNA测序（snRNA-seq）技术，对4例DS胎儿和11例对照胎儿的中期妊娠（妊娠期17–28周）前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）和颞上平面皮层（superior temporal plane, STP）样本进行高分辨率转录组分析，构建了首张DS胎儿皮层细胞特异性转录组图谱，揭示了神经元迁移、代谢重构及胶质-神经元互作异常的关键机制。

关键技术方法

研究共纳入22例胎儿脑样本（DS组4例，对照组11例），经解剖分离PFC与STP组织后，提取细胞核进行snRNA-seq建库（DNBelab C4平台），测序数据通过Cell Ranger、Seurat等流程进行质控、整合与聚类分析。细胞类型注释依据经典标记基因（如CUX2标记上层兴奋性神经元，RORB标记第4层神经元）。差异表达基因（DEGs）通过MAST模型鉴定，并采用EWCE、scDRS、CellChat、NicheNet等算法进行功能富集、细胞通讯及疾病关联分析。实验验证包括多重免疫荧光染色（如FOXP2/SATB2/TUBB2B共标），结合虚拟基因敲除（scTenifoldKnk）及机器学习模型（h2o包）评估基因功能。

研究结果

1. DS胎儿PFC与STP呈现区域特异性转录组紊乱

研究共捕获378,232个核转录组，鉴定出17种细胞类型，包括兴奋性神经元（ExNs）、抑制性神经元（InNs）、神经前体细胞（NB）及胶质细胞等。DS组中，PFC与STP均出现ExN/InN比例失衡，但变化模式相反：PFC中源于尾侧节结隆起（CGE）的InN增多，而STP中源于内侧节结隆起（MGE）的InN更显著。染色体21基因在DS中整体表达升高（平均FC_STP=1.48，FC_PFC=0.27），但仅部分基因呈现完全剂量补偿（12.1%基因在STP中表达≥2倍）。

2. 兴奋性神经元亚型迁移障碍与皮质分层异常

通过ExN亚群分析发现，DS胎儿PFC与STP中表达CUX2（标记第2层）和RORB（标记第4层）的神经元比例异常。免疫荧光显示，GW23时DS皮层中SATB2⁺上层神经元减少，FOXP2⁺深层神经元增多，提示“由内向外”迁移模式受损。伪时间轨迹分析进一步表明DS神经元分化延迟，且迁移相关基因（如TUBA1A、TUBB2B）在GW23附近表达时序紊乱。

3. 微管蛋白乳酰化修饰失调与代谢重构

代谢分析显示，DS神经元中乳酸相关基因表达升高，伴随组蛋白与非组蛋白乳酰化修饰异常。α-微管蛋白（α-tubulin）乳酰化水平下降，可能影响微管稳定性及神经元迁移。此外，腈氨酸、精氨酸等代谢物在DS各细胞类型中均显著上调，提示核糖体功能紊乱。

4. 抑制性神经元与胶质细胞通过细胞通讯调控ExN迁移

抑制性神经元（InNs）中Reelin（RELN）表达降低，可能影响ExN的正确定位。CellChat分析发现，PFC中InN与ExN间的NRXN-NLGN信号通路减弱，而STP中增强。胶质细胞（如少突胶质前体细胞OPC、星形胶质细胞Astro）通过配体（如PTN、NLGN2）调控ExN中RUNX1、TUBA1A等迁移相关基因表达。

5. 疾病风险基因富集提示STP为易感脑区

EWCE分析显示，STP细胞更富集精神分裂症（SCZ）、阿尔茨海默病（AD）等疾病风险基因。机器学习模型进一步证实，迁移相关基因（如TUBA1A、TUBB2B）可高精度区分DS与对照神经元（PFC准确率78%，STP 71%）。

结论与意义

本研究首次在时空维度系统揭示了DS胎儿中期妊娠皮层的细胞分子病理图谱：①染色体21三体通过扰乱神经元迁移关键基因（如RUNX1、APP）及微管动态（如TUBA1A乳酰化），导致皮质分层异常；②胶质-神经元互作失调进一步加剧迁移缺陷；③STP较PFC更易受三体效应影响，且与神经精神疾病风险基因富集相关。这些发现不仅为DS脑发育异常提供了机制解释，也为靶向迁移通路或代谢修饰（如乳酸调控）的早期干预策略提供了新靶点。未来研究可借助类器官模型验证关键基因功能，探索跨发育阶段的动态调控网络。