编辑推荐：
本文聚焦新皮质发育，探讨了发育程序时间调控的重要性，阐述了表观遗传机制（如 H3K27me3等）对发育转变的调控作用，分析了代谢（如糖酵解、谷氨酰胺分解等）对皮质发育的影响，以及两者异常与神经发育障碍的关联，为相关研究提供重要参考。
新皮质发育中发育时间调控的重要性
新皮质是人类高级认知功能的关键区域，其发育过程涉及一系列复杂的生物学程序，包括神经干细胞和神经祖细胞（NPCs）的增殖、细胞命运决定以及神经元的成熟。虽然不同物种的发育程序序列在很大程度上是保守的，但发育转变的时间，如起始、持续时间、速度和终止，在物种之间存在显著差异，这种差异被称为异时性（heterochrony），人类皮质发育尤为缓慢，被称为缓时性（bradychrony）。
发育时间的差异对新皮质的发育结果有着深远影响，直接关系到神经元的数量和新皮质的大小。例如，根据径向单元假说，神经上皮扩张初始阶段的持续时间会影响新皮质的大小，神经上皮细胞向顶端放射状胶质细胞的转变在人类中比其他类人猿更为漫长，这与源自诱导多能干细胞（iPSCs）的脑类器官大小差异相关。同时，神经发生期的长度也对神经元数量有重要影响，较长的神经发生期有助于新皮质的扩张，而 NPCs 从增殖到分化的过早转变则与小头畸形（microcephaly）这一神经发育障碍相关。
表观遗传对发育转变的调控
细胞身份的确定是特定基因表达的结果，在新皮质发育过程中，精确的时空基因表达程序控制着 NPCs 的扩张、深层和上层神经元的生成、胶质细胞的生成以及神经元的成熟，这些程序由转录和表观遗传因素共同决定。组蛋白甲基化在新皮质发育和神经元成熟过程中对细胞身份的起始和维持起着重要作用，此外，如组蛋白乳酸化、血清素化和巴豆酰化等新发现的组蛋白翻译后修饰在大脑中也很丰富，但它们在调控发育时间方面的作用尚待深入研究。
从多能性退出
在胚胎干细胞分化和早期发育过程中，表观遗传修饰，如由 Polycomb 和 Trithorax 组复合物介导的组蛋白修饰，对细胞命运的指定和维持起着关键作用。研究发现，在人类早期脑类器官发育中，介导 H3K27me3的 Polycomb 抑制复合物 2（PRC2）在细胞从多能性退出和神经上皮分化过程中至关重要，这与发育调节基因编码区域中抑制性 H3K27me3结构域的积累、染色质相互作用的重塑以及其他细胞谱系命运的沉默有关。
神经上皮细胞向顶端放射状胶质细胞的转变
神经上皮细胞向顶端放射状胶质细胞的转变标志着神经发生的开始，伴随着细胞连接成分的变化以及从对称增殖到不对称细胞分裂的转变。通过对早期大猩猩、黑猩猩和人类脑类器官的比较研究发现，尽管发育的分子轨迹相似，但人类的这一转变过程更为漫长，差异主要体现在形态发生相关基因的表达时间动态上，其中 ZEB2 基因最为突出，它编码上皮 - 间质转化的转录调节因子，且多个人类加速区域与 ZEB2 相关。在小鼠中，从神经上皮细胞到顶端放射状胶质细胞的转变过程中，H3K27me3存在重大重排，一些紧密连接相关基因获得更具抑制性的染色质构象，而放射状胶质细胞相关基因则转变为活跃的染色质状态。
增殖与分化的平衡
在神经发生阶段，顶端放射状胶质细胞产生更多定向祖细胞，主要是基底祖细胞，少数情况下直接产生神经元。研究表明，多种表观遗传途径参与调节 NPCs 从增殖到分化的转变。其中，H3K27me3抑制分化，而组蛋白乙酰化和巴豆酰化则支持神经元分化。以 PRC2 介导的 H3K27me3为例，在增殖的顶端放射状胶质细胞中，促神经发生基因如 Insm1、Eomes 和 Neurog1/2 被 H3K27me3标记。在小鼠中，皮质特异性敲除 PRC2 成分会导致 H3K27me3缺失，进而上调神经发生基因表达程序，使顶端放射状胶质细胞过早从自我更新转向分化，缩短神经发生期；在人类皮质类器官中，抑制 PRC2 也会导致从增殖到分化的转变，使类器官尺寸减小。此外，PRC2 还通过调节细胞外微环境等非细胞自主机制影响 NPCs 的命运。
神经元亚型的特化
新皮质的一个显著特征是神经元组织成六层，深层神经元先产生，随后是上层神经元的生成。在小鼠新皮质中，PRC2 的缺失与通常较晚出生的神经元亚型的早熟产生以及上层神经元数量的减少有关，PRC1 则调节深层神经元生成的定时终止。除了 Polycomb 介导的调节外，负责 H3K79me 的组蛋白甲基转移酶 DOT1L 在平衡发育中的皮质神经元层身份所需的转录程序中发挥着重要作用。虽然神经元亚型特化的序列在物种间是保守的，但定量方面存在差异，人类新皮质中上层锥体神经元数量较多，这可能有助于增强皮质区域之间的连接性，而人类神经元亚型生成时间的调控机制以及表观遗传机制是否促进了上层神经元的增加，仍是有待深入研究的重要方向。
神经发生向胶质发生的转变
在小鼠胚胎发育后期，剩余的祖细胞从神经发生转变为胶质发生，表观遗传机制，特别是 Polycomb 调节，对这一转变的时间起着重要的调节作用，进而影响神经元数量和新皮质大小。在培养的 NPCs 中，即使没有额外刺激，也会发生从神经发生到星形胶质细胞发生的转变，这表明这是一种细胞内在的转变。PRC2 的缺失不仅会影响这一转变，还会导致未成熟星形胶质细胞增殖缺陷和成熟星形胶质细胞形态复杂性降低。在人类脑类器官中，抑制 PRC2 会导致星形胶质细胞过早出现。近期研究还发现，神经发生向星形胶质细胞发生转变的发育时间在人类新皮质的不同区域存在差异，且与新皮质扩张的速率有关。目前，人类类器官模型在模拟外脑室下区扩张和胶质发生方面仍存在不足，但通过改进类器官培养方案，如添加白血病抑制因子（LIF），有望在未来对人类皮质发育中神经发生向胶质发生转变进行更深入的功能研究。
神经元的成熟
神经元成熟在人类中是一个极其漫长的过程，与小鼠仅需数周相比，人类需要数年时间。研究表明，一种表观遗传屏障通过维持成熟基因处于就绪状态，并限制促进成熟的竞争表观遗传因子的表达，来控制神经元成熟的时间。在 NPC 阶段短暂抑制介导 H3K9、H3K27 和 H3K79 甲基化的组蛋白甲基转移酶，可促使人类神经元快速表达成熟程序。此外，在小鼠感觉神经元中发现，由 H3K27me3和 H3K27ac 组成的二分特征可调节对刺激的转录反应。综上所述，表观遗传机制几乎调节着新皮质发育过程中所有发育转变的时间，Polycomb 复合物是小鼠新皮质发育时间的关键调节因子，近期研究也表明其在人类大脑发育延长中可能发挥重要作用。脑类器官模型结合大规模表观基因组学方法，为进一步研究其他表观遗传修饰在人类新皮质发育中的作用以及深入了解其他灵长类物种提供了有力工具。
表观遗传酶突变导致的神经发育障碍
许多由表观遗传机制异常引起的孟德尔遗传病都表现出神经功能障碍和智力残疾，这凸显了表观遗传调控在人类皮质发育中的重要性。这些发育障碍中有不少会影响大脑大小，导致小头畸形或大头畸形。例如，PRC2 核心成分的杂合突变与 Weaver 综合征（EZH2）、Imagawa - Matsumoto 综合征（SUZ12）和 Cohen - Gibson 综合征（EED）等相关的大头畸形和智力残疾有关；而 H3K27 去甲基化酶基因 KDM6A 或 H3K4 组蛋白甲基转移酶基因 KDM2D 的突变则会导致常与小头畸形相关的 Kabuki 综合征。值得注意的是，虽然在小鼠和人类模型中，神经发生期 PRC2 功能缺失会导致皮质尺寸减小，这与 PRC2 成分基因突变个体的大头畸形表型相反，这表明仅 NPCs 命运的表观遗传调控可能不足以解释大头畸形的表型，可能还存在其他机制，如细胞外因素，这需要在携带患者突变的模型中进一步研究。
此外，其他一些表观遗传因子的突变也会影响大脑大小，这些因子不仅与组蛋白甲基化有关，还与组蛋白乙酰化相关。组蛋白乙酰化通过增加染色质可及性促进转录激活，在新皮质发育中对 NPCs 向神经元的正确分化至关重要，人类中组蛋白乙酰转移酶 CBP 的缺陷与 Rubinstein - Taybi 综合征相关。多种表观遗传调控层次可能协同保障新皮质的正常发育，理解神经发育障碍中表观遗传途径的相互作用将是未来研究的重要方向，尤其是在发育时间的背景下。虽然小头畸形和大头畸形通常在出生后胚胎神经元生成完成后才能被诊断出来，但小鼠 Kabuki 综合征模型的研究表明，通过抑制相反的表观遗传途径来对抗表观遗传失调，有望挽救成年神经发生，改善记忆和激素调节。类似的方法也可用于探索某些形式的自闭症谱系障碍的治疗，因为表观基因组改变在其病因中起着核心作用。由于人类与小鼠在发育时间和 NPCs 类型丰度上存在差异，人类疾病模型能够提供更有价值的见解，但在使用类器官模型时，必须严格控制空间组织、代谢状态和细胞存活等质量标准，以确保获得有意义的结果。
皮质发育的代谢调控
细胞代谢在皮质发育过程中起着至关重要的作用，它不仅直接影响细胞的增殖和分化，还通过为 DNA 合成和表观遗传修饰提供必需的代谢物，间接调控发育程序。
能量产生
代谢对 NPCs 的行为，尤其是增殖和分化有着重要影响。在胚胎小鼠新皮质中，不同类型的 NPCs 表现出不同的代谢活动。产生 ATP 的主要途径有糖酵解和氧化磷酸化（OXPHOS），由于发育中的新皮质脑室区缺氧且血管较少，顶端放射状胶质细胞主要利用糖酵解产生 ATP；而在血管生成活性较高的脑室下区，基底中间祖细胞则更多地通过 OXPHOS 产生 ATP。神经元的 OXPHOS 水平高于 NPCs，从糖酵解到 OXPHOS 的代谢转变表明细胞代谢在 NPCs 增殖和分化的时间调控中起着关键作用。在胚胎小鼠新皮质中，增殖的 NPCs 比神经发生期的 NPCs 具有更高的无氧糖酵解水平，持续高水平的产生乳酸的糖酵解会抑制 NPCs 向神经元的分化，这表明 OXPHOS 对神经发生尤为重要。
氨基酸代谢
谷氨酰胺分解代谢在人类 NPCs 扩张中发挥着重要作用，这一过程与人类新皮质的进化性扩张密切相关。谷氨酰胺分解将谷氨酰胺转化为谷氨酸，进而生成 α - 酮戊二酸（αKG），支持新皮质发育早期顶端放射状胶质细胞的扩张以及后期基底祖细胞（尤其是基底放射状胶质细胞）的扩张。与小头畸形相关的蛋白 MCPH1，定位于顶端和基底放射状胶质细胞的线粒体上，可通过升高线粒体基质中的 Ca2 +浓度促进谷氨酰胺分解；人类特异性线粒体基质蛋白 ARHGAP11B 也能增加线粒体基质中的 Ca2 +浓度，诱导谷氨酰胺分解，且类人猿特异性线粒体酶 GLUD2 可进一步促进这一过程，它催化谷氨酸转化为 αKG。αKG 的一部分进入三羧酸（TCA）循环，最终转化为草酰乙酸，再进一步转化为天冬氨酸，天冬氨酸是核苷酸从头合成的氮供体，是细胞增殖的限速代谢物。而通过天冬酰胺合成酶消耗天冬氨酸产生天冬酰胺，则会诱导 NPCs 向神经元分化。在围产期，由于谷氨酰胺合成酶表达增加，谷氨酰胺分解活性下降，该酶将谷氨酸转化为谷氨酰胺，抑制了径向胶质细胞的增殖能力，使其转变为用于成年神经发生的静止干细胞。谷氨酰胺合成酶在星形胶质细胞中也有高表达，它可摄取神经元产生的过量谷氨酸并转化为谷氨酰胺，再运输回神经元用于谷氨酸的生成。谷氨酸 - 谷氨酰胺循环的过度激活或低激活，分别由组成型或部分活性的谷氨酰胺合成酶致病变体引起，都可能导致癫痫。这些研究表明，氨基酸代谢是平衡 NPCs 增殖和分化的关键决定因素之一，也是维持出生后脑内氨基酸稳态的重要因素。
乙酰辅酶 A 的产生
乙酰辅酶 A 是脂肪酸生物合成和组蛋白乙酰化的关键代谢物。研究发现，人类基底放射状胶质细胞中由葡萄糖生成乙酰辅酶 A 的过程上调。转酮醇酶样 1（TKTL1）是戊糖磷酸途径（PPP）的关键酶，现代人类的 TKTL1 在氨基酸残基 261 处为精氨酸，而尼安德特人和灵长类动物的祖先型 TKTL1 在此处为赖氨酸，这一氨基酸替换使现代人类的 TKTL1 活性更高，能够产生更多的乙酰辅酶 A，进而增加了人类新皮质基底放射状胶质细胞的增殖能力。由于 TKTL1 在人类胎儿新皮质额叶的表达高于枕叶，它可能对现代人类与尼安德特人额叶大小的差异产生影响。这些研究进一步强调了代谢和线粒体活动在新皮质发育和进化中的重要意义。
线粒体
线粒体在细胞内呈现动态变化的形态和分布，在 NPCs 分裂过程中，线粒体的分裂受到诱导，以确保其在子细胞中的正确分布。细胞分裂后，具有不同细胞命运的子细胞中线粒体动力学存在差异，保持祖细胞状态的子细胞线粒体融合活性较高，线粒体呈细长状；而进行神经元分化的子细胞线粒体融合活性较低，线粒体呈碎片化。抑制线粒体融合可促进子细胞向神经元分化，这表明线粒体的形态动力学在 NPCs 命运决定中起着重要作用。有趣的是，人类 NPCs 后代形成细长线粒体的时间比小鼠 NPCs 后代更长，导致命运决定速度较慢。总体而言，线粒体的形态动力学及其活性可能是 NPCs 命运决定的关键因素，影响着神经发生的时间。
代谢失调导致的神经发育障碍
研究皮质畸形可以发现代谢的重要性。例如，SLC25A19 基因与阿米什致死性小头畸形相关，该基因编码的线粒体硫胺素焦磷酸载体减少，会导致线粒体中 αKG 脱氢酶复合物活性所需的硫胺素焦磷酸不足，从而减弱 αKG 分解代谢，这突出了 αKG 分解代谢在正常大脑发育中的重要性，与谷氨酰胺分解代谢的重要性研究结果相互印证。
甲硫氨酸和叶酸（维生素 B9）是人体必需的营养素，需从饮食中获取。由于叶酸对热敏感，人类日常饮食中叶酸的可获得性较低。女性在受孕前和怀孕早期补充叶酸可显著降低神经管闭合缺陷（如脊柱裂）的风险，但 DNA 和组蛋白甲基化在神经管闭合和大脑发育中的具体作用仍需进一步研究。
细胞代谢对表观遗传修饰的调节
表观遗传修饰，包括 DNA 和组蛋白的修饰，需要特定的底物和辅助因子，而这些物质的细胞供应受到细胞代谢的严格调控。因此，细胞代谢的变化能够影响细胞的表观遗传状态，进而改变细胞命运的决定。
DNA 和组蛋白甲基化
S - 腺苷甲硫氨酸（SAM）是甲硫氨酸的衍生物，是 DNA 和组蛋白甲基化的甲基供体。DNA 甲基转移酶 DNMT1、DNMT3A 和 DNMT3B 将 SAM 的甲基转移到胞嘧啶上，生成 5 - 甲基胞嘧啶，同时产生 S - 腺苷同型半胱氨酸（SAH）；组蛋白甲基转移酶则将 SAM 的甲基转移到组蛋白上，产生如 H3K27me3等甲基化组蛋白和 SAH。因此，SAM 是 DNA 和组蛋白甲基化的限速代谢物，它是甲硫氨酸循环的中间代谢物，甲硫氨酸和叶酸循环相互关联，构成了一碳（1C）代谢的主要途径。1C 代谢活性的改变，无论是通过甲硫氨酸循环还是叶酸循环的变化，都会影响细胞的表观遗传状态。例如，顶端放射状胶质细胞中 H3K4me3的水平与神经元分化相关。
DNA 和组蛋白去甲基化
DNA 和组蛋白的甲基化可以被酶主动去除，这在发育过程中对表观遗传调控起到了重要作用。DNA 胞嘧啶甲基化可被十 - 十一易位（TET）甲基胞嘧啶双加氧酶利用 αKG 转化为 5 - 羟甲基胞嘧啶；赖氨酸特异性组蛋白去甲基酶可以去除组蛋白赖氨酸残基上的甲基。在八种组蛋白去甲基酶亚类中，KDM1 需要黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），而其他组蛋白去甲基酶则利用 αKG 进行组蛋白去甲基化，这表明细胞内 αKG 的水平是 DNA 和组蛋白甲基化 - 去甲基化平衡的关键因素。在人类 NPCs 中，αKG 产量的增加可能诱导 DNA 和组蛋白的去甲基化，从而维持 NPCs 的高增殖活性。实际上，NPCs 中的组蛋白甲基化水平通常低于神经元，细胞内 αKG 与 DNA 和组蛋白甲基化水平相关，对维持<
