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作者：小欣博士

2024年4月29日，奧地利因斯布魯克大學(xué)Frank Edenhofer團隊在Molecular Psychiatry發(fā)表“Integrative metabolomics-genomics analysis identifies key networks in a stem cell-based model of schizophrenia”(https://doi.org/10.1038/s41380-024-02568-8)揭示了綜合代謝組學(xué)-基因組學(xué)分析確定了精神分裂癥干細(xì)胞模型中的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)。

精神分裂癥（SCZ）是一種神經(jīng)精神疾病，由遺傳和環(huán)境因素的組合因素引起。盡管有研究表明它與對多巴胺和谷氨酸等神經(jīng)遞質(zhì)的異常反應(yīng)有關(guān)，但該疾病背后的病因尚不明確。在本研究中，作者旨在探索基于患者來源的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）的SCZ模型中轉(zhuǎn)錄組和代謝組之間的相關(guān)性。為此，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞向皮質(zhì)神經(jīng)元分化，并在不同的發(fā)育階段采集樣本，通過RNA測序和靶向代謝組學(xué)對樣本進行分析。作者觀察到SCZ樣品中谷氨酸脫羧酶編碼基因GAD1和GAD2及其蛋白產(chǎn)物GAD65/67及其生化產(chǎn)物GABA的下調(diào)。鳥氨酸脫羧酶的抑制導(dǎo)致了GABA水平的進一步下降，這表明鳥氨酸/腐胺途徑的代償性激活是GABA產(chǎn)生的另一種途徑。這些發(fā)現(xiàn)表明，在SCZ的早期神經(jīng)發(fā)育階段，發(fā)生了皮質(zhì)興奮性/抑制性動力學(xué)失衡。

圖一  SCZ和對照iPSC細(xì)胞系的體外皮質(zhì)分化和取樣

將受影響患者的成年體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，采用各種方法進行疾病建模。從神經(jīng)元分化的6個時間點中提取樣本。在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞階段（第0天；d0天），細(xì)胞表達多能性標(biāo)記物，表現(xiàn)出誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的特征形態(tài)。隨后，通過暴露于神經(jīng)誘導(dǎo)介質(zhì)（NIM），細(xì)胞被引導(dǎo)形成一個緊密排列的神經(jīng)上皮片（NES）樣結(jié)構(gòu)，其中包含調(diào)節(jié)WNT和TGFβ通路的小分子。在該階段存在的神經(jīng)祖細(xì)胞（NPCs）表達SOX1和SOX2（d7）。用FGF2短時間處理后，NPC群體的擴增產(chǎn)生了增殖標(biāo)記物Ki67和神經(jīng)干細(xì)胞標(biāo)記物PAX6。有趣的是，在d50-100之間觀察到的神經(jīng)元中谷氨酸能標(biāo)記物囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運體1（vGLUT1）和谷氨酸脫羧酶65/67（GAD65/67）均呈陽性。 

圖二 集成轉(zhuǎn)錄組代謝分析

作者對來自皮質(zhì)分化的樣本進行了定量的靶向代謝組學(xué)分析評估SCZ依賴的代謝異常。為了評估皮質(zhì)分化過程中的代謝組學(xué)動態(tài)，進行了短時間序列表達（STEM）模式時間分析。圖譜顯示，在SCZ樣本中總共富集了25個代謝物。對皮質(zhì)分化過程中代謝物的STEM模式分析顯示，對照組和SCZ組的下降軌跡顯著富集。可以根據(jù)基因表達水平和代謝豐度的變化來研究皮質(zhì)分化不同發(fā)育階段的全局分子變化。

圖三 SCZ樣本中GABA生物合成途徑的改變

作者通過靶向LC-MS分析，更全面地探索了SCZ樣本中GABA的失調(diào)。此外，為了研究腐胺在SCZ GABA生物合成中的作用，使用依氟烏氨酸（DFMO）進行細(xì)胞治療，DFMO是一種干擾腐胺生物合成的ODC1抑制劑。與對照組相比，觀察到SCZ細(xì)胞系中的GABA水平僅略有降低。然而，DFMO處理導(dǎo)致SCZ樣品和上清液中GABA水平明顯降低，而對照品系不受影響。這一結(jié)果表明，SCZ系的GABA生物合成更容易依賴于非典型的腐胺途徑。與SCZ樣本相比，對照細(xì)胞系中的谷氨酸顯著降低，獨立于DFMO處理。作者對同時使用對照和SCZ細(xì)胞培養(yǎng)的d27樣本進行了ICC染色。發(fā)現(xiàn)與對照組相比，SCZ樣本中的GAD65/67明顯降低。

綜上所述，作者采用了一個基于iPSC的神經(jīng)元分化模型來研究SCZ病理中的早期神經(jīng)發(fā)育缺陷。研究闡明了GABA失調(diào)和體外神經(jīng)發(fā)育早期的代償機制的參與，暗示了興奮/抑制回路的早期失衡。作者的發(fā)現(xiàn)將有助于加深對SCZ和其他精神疾病的理解，并有可能為開發(fā)新的治療干預(yù)措施奠定基礎(chǔ)。

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