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为探究 UBE3A 在神经发育中的作用，研究人员利用人类大脑类器官，通过 scRNAseq 等技术，发现 UBE3A 缺失会改变细胞类型组成与转录组，影响祖细胞增殖、 corticogenesis 等，为 AS 等疾病提供新靶点。
天使综合征（Angelman syndrome, AS）作为一种因母源 UBE3A 基因（泛素蛋白连接酶 E3A）表观遗传损伤引发的神经发育障碍，长久以来，科研焦点多汇聚于 UBE3A 在神经元中的作用，这是因为该基因在神经元中存在印记现象，即仅母源等位基因表达，父源等位基因因表观沉默而失活。然而，越来越多证据显示，UBE3A 失调可能对神经发育产生更广泛的影响，但其在非神经元细胞，如神经上皮干细胞、祖细胞及脉络丛（ChP）细胞中的作用，受限于获取难度和物种差异，一直未被充分研究。在此背景下，利用人类大脑类器官模型来揭示 UBE3A 在神经发育中的多维度作用具有重要意义，这类模型不仅能模拟人类早期神经发育过程，还包含多种难以研究的细胞类型。
为填补这一研究空白，北卡罗来纳州立大学与北卡罗来纳大学教堂山分校的研究团队开展了相关研究，成果发表在《Communications Biology》。研究借助人类大脑类器官和单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，深入剖析了 UBE3A 完全缺失及母源缺失对不同神经发育时间点细胞组成和转录组的影响，旨在阐明 UBE3A 在神经发育中的广泛作用，为 AS 等神经发育障碍提供新的治疗靶点和机制解释。
研究主要采用了以下关键技术方法：一是利用 H9 野生型（H9WT）和 H9UBE3A 母源 / 父源双缺失（H9UBE3A m-/p-）的多能干细胞构建 6 周和 11 周龄的人类大脑类器官；二是运用 scRNA-seq 技术对类器官进行单细胞转录组分析，鉴定不同细胞类型及其基因表达差异；三是通过免疫染色（如 EMX1、GLI3、TTR 等抗体）和 EdU 细胞增殖实验，验证细胞形态、增殖能力及特定蛋白的表达变化；四是进行通路分析（如 QIAGEN Ingenuity Pathway Analysis, IPA），探究差异表达基因富集的信号通路。
缺失 UBE3A 改变人类大脑类器官的细胞类型组成
研究人员对 6 周龄类器官进行 scRNA-seq 分析，共鉴定出 34 个离散细胞簇，涵盖放射状胶质细胞（RG）、中间祖细胞（IP）、间充质细胞（Mes）、脉络丛细胞（ChP）和神经元等 15 种细胞类型。对比 H9WT 和 H9UBE3A m-/p - 类器官发现，H9WT 类器官中未成熟的增殖性细胞类型（如增殖性 RG 和 IP）比例更高，而 H9UBE3A m-/p - 类器官中兴奋性神经元（EN）和 ChP 细胞比例显著增加。这表明 UBE3A 缺失可能导致祖细胞过早退出多能状态，向神经元和 ChP 命运分化，从而影响类器官的细胞组成平衡。
UBE3A 缺失导致细胞类型特异性基因表达差异
通过对整体和单细胞层面的差异基因表达分析，研究发现 UBE3A 缺失导致 4206 个基因表达差异，其中 EN、RG 和增殖性 RG 的差异基因数量最多。IPA 分析显示，UBE3A 缺失影响了多种经典通路，如 RG 和增殖性 RG 中神经元信号通路（如 CREB 信号、阿片信号）和细胞周期相关通路（如细胞周期检查点、有丝分裂前期）上调，而 EN 中这些通路下调。此外，与皮质发生和神经发生相关的通路，如 RHO GTP 酶循环、EPH-Ephrin 信号、mTOR 信号和 WNT 相关通路等也受到显著影响。这些结果表明，UBE3A 通过调控不同细胞类型的基因表达和信号通路，广泛影响神经发育过程。
UBE3A 缺失破坏祖细胞增殖和玫瑰结结构
EdU 实验表明，H9UBE3A m-/p - 和 H9UBE3A m-/p + 类器官的祖细胞增殖能力显著低于 H9WT，且 UBE3A 剂量越低，增殖抑制越明显，但多能干细胞的增殖未受影响。进一步研究发现，UBE3A 缺失与 TP53 相关通路和端粒酶信号改变有关，H9UBE3A m-/p - 类器官中端粒酶逆转录酶（TERT）表达降至检测不到水平。免疫染色显示，H9WT 类器官中 EMX1 + 皮质祖细胞形成特征性的玫瑰结结构，而 H9UBE3A m-/p - 类器官中 EMX1 几乎完全缺失，GLI3（RG 标记物）表达也显著降低，提示 UBE3A 通过 Hedgehog（HH）-GLI3-EMX1 轴调控皮质祖细胞的发育和结构组织，缺失 UBE3A 会破坏皮质发生，可能导致 AS 患者的皮质发育异常。
UBE3A 缺失可能干扰皮质层状 EN 的发育
对 11 周龄类器官的 scRNA-seq 分析显示，与 6 周龄相比，H9WT 和 H9UBE3A m-/p - 类器官的细胞组成差异更大。H9UBE3A m-/p - 类器官中皮质层状神经元（EN-CL）几乎消失，这类神经元高表达突触形成、轴突发育和细胞迁移相关基因（如 LRRC7、ANKS1B、DAB1），低表达细胞分化相关基因。免疫染色未检测到 SATB2 和 CTIP2 的显著差异，可能与检测时间或细胞成熟度有关。结合 6 周龄结果，UBE3A 缺失导致皮质祖细胞减少，进而可能延迟兴奋性神经元的成熟，影响皮质层的形成和功能。
UBE3A 缺失导致 ChP 过度生成
研究发现，H9UBE3A m-/p - 类器官中 ChP 细胞比例显著增加，形态学观察显示其形成更多窦状组织，而 H9WT 类器官以囊性结构为主，H9UBE3A m-/p + 类器官兼具两种形态。通路分析表明，UBE3A 缺失影响 ChP 细胞中的 WNT 相关通路、线粒体功能和自噬通路。免疫染色显示，早期类器官中 UBE3A 在 ChP 上皮细胞的细胞核中强表达，随时间推移逐渐弥散，提示 UBE3A 的时空定位可能调控 ChP 的发育和功能。结合临床观察，AS 和自闭症患者脑脊液（CSF）增多，推测 UBE3A 通过影响 ChP 的 CSF 分泌功能，参与神经发育障碍的病理过程。
靶向代谢通路可能挽救祖细胞池缺陷
基于通路分析，研究团队筛选了 26 种抑制剂，发现靶向 mTOR、JAK 和 WNT 通路的抑制剂（如雷帕霉素、巴瑞替尼）可显著增加 H9UBE3A m-/p - 类器官的大小，其中雷帕霉素还能促进玫瑰结结构的形成，提示这些通路可能是 UBE3A 的下游靶点，通过调节细胞增殖和祖细胞组织来挽救 UBE3A 缺失导致的表型。这为 AS 的潜在治疗提供了新方向，如通过药物调控 mTORC1 活性来恢复祖细胞功能。
综上所述，该研究通过人类大脑类器官模型，首次系统揭示了 UBE3A 在神经发育中的广泛作用，不仅影响神经元，还对非神经元细胞（如 ChP 和皮质祖细胞）的组成、功能和转录组产生深远影响。研究证实 UBE3A 通过调控 HH-GLI3-EMX1 轴和 WNT 通路等，参与皮质发生、祖细胞增殖和 ChP 发育，其缺失可能导致 AS 患者的微脑畸形、皮质发育异常和 CSF 失衡。此外，靶向代谢通路的挽救实验为 AS 的治疗提供了新的靶点和思路。该研究不仅拓展了对 UBE3A 生物学功能的认识，也为神经发育障碍的病理机制和治疗策略提供了重要的实验依据，有望推动相关疾病的精准医学研究。
