因斯布鲁克大学研究发现精神分裂症干细胞模型中的关键网络

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作者：小欣博士

2024年4月29日，奥地利因斯布鲁克大学Frank Edenhofer团队在Molecular Psychiatry发表“Integrative metabolomics-genomics analysis identifies key networks in a stem cell-based model of schizophrenia”(https://doi.org/10.1038/s41380-024-02568-8)揭示了综合代谢组学-基因组学分析确定了精神分裂症干细胞模型中的关键网络。

精神分裂症（SCZ）是一种神经精神疾病，由遗传和环境因素的组合因素引起。尽管有研究表明它与对多巴胺和谷氨酸等神经递质的异常反应有关，但该疾病背后的病因尚不明确。在本研究中，作者旨在探索基于患者来源的诱导多能干细胞（iPSCs）的SCZ模型中转录组和代谢组之间的相关性。为此，诱导多能干细胞向皮质神经元分化，并在不同的发育阶段采集样本，通过RNA测序和靶向代谢组学对样本进行分析。作者观察到SCZ样品中谷氨酸脱羧酶编码基因GAD1和GAD2及其蛋白产物GAD65/67及其生化产物GABA的下调。鸟氨酸脱羧酶的抑制导致了GABA水平的进一步下降，这表明鸟氨酸/腐胺途径的代偿性激活是GABA产生的另一种途径。这些发现表明，在SCZ的早期神经发育阶段，发生了皮质兴奋性/抑制性动力学失衡。

图一  SCZ和对照iPSC细胞系的体外皮质分化和取样

将受影响患者的成年体细胞重编程为诱导多能干细胞，采用各种方法进行疾病建模。从神经元分化的6个时间点中提取样本。在诱导多能干细胞阶段（第0天；d0天），细胞表达多能性标记物，表现出诱导多能干细胞的特征形态。随后，通过暴露于神经诱导介质（NIM），细胞被引导形成一个紧密排列的神经上皮片（NES）样结构，其中包含调节WNT和TGFβ通路的小分子。在该阶段存在的神经祖细胞（NPCs）表达SOX1和SOX2（d7）。用FGF2短时间处理后，NPC群体的扩增产生了增殖标记物Ki67和神经干细胞标记物PAX6。有趣的是，在d50-100之间观察到的神经元中谷氨酸能标记物囊泡谷氨酸转运体1（vGLUT1）和谷氨酸脱羧酶65/67（GAD65/67）均呈阳性。 

图二 集成转录组代谢分析

作者对来自皮质分化的样本进行了定量的靶向代谢组学分析评估SCZ依赖的代谢异常。为了评估皮质分化过程中的代谢组学动态，进行了短时间序列表达（STEM）模式时间分析。图谱显示，在SCZ样本中总共富集了25个代谢物。对皮质分化过程中代谢物的STEM模式分析显示，对照组和SCZ组的下降轨迹显著富集。可以根据基因表达水平和代谢丰度的变化来研究皮质分化不同发育阶段的全局分子变化。

图三 SCZ样本中GABA生物合成途径的改变

作者通过靶向LC-MS分析，更全面地探索了SCZ样本中GABA的失调。此外，为了研究腐胺在SCZ GABA生物合成中的作用，使用依氟乌氨酸（DFMO）进行细胞治疗，DFMO是一种干扰腐胺生物合成的ODC1抑制剂。与对照组相比，观察到SCZ细胞系中的GABA水平仅略有降低。然而，DFMO处理导致SCZ样品和上清液中GABA水平明显降低，而对照品系不受影响。这一结果表明，SCZ系的GABA生物合成更容易依赖于非典型的腐胺途径。与SCZ样本相比，对照细胞系中的谷氨酸显著降低，独立于DFMO处理。作者对同时使用对照和SCZ细胞培养的d27样本进行了ICC染色。发现与对照组相比，SCZ样本中的GAD65/67明显降低。

综上所述，作者采用了一个基于iPSC的神经元分化模型来研究SCZ病理中的早期神经发育缺陷。研究阐明了GABA失调和体外神经发育早期的代偿机制的参与，暗示了兴奋/抑制回路的早期失衡。作者的发现将有助于加深对SCZ和其他精神疾病的理解，并有可能为开发新的治疗干预措施奠定基础。

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