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致病突变亨廷顿蛋白（mHTT）浸润成人亨廷顿病（HD）大脑并损害胎儿皮质生成。然而，大多数HD动物模型很少再现成人HD和发育中的大脑的神经解剖学改变。因此，人类皮质类器官（hCO）是在人类皮质发生过程中精确解码mHTT发病机制的另一种方法。 基于此，2024年4月23日复旦大学Hexige Saiyin研究团队在Molecular Psychiatry杂志发表了“Endogenous mutant Huntingtin alters the corticogenesis via lowering Golgi recruiting ARF1 in cortical organoid”揭示了内源突变亨廷顿蛋白通过降低皮质类器官中高尔基体募集ARF1来改变皮质生成。
在这里，作者使用HD患者来源的hCOs复制了HD胎儿大脑中皮质发生的改变。HD-hCOs病理表型包括神经管中连接复合体的缺陷、有丝分裂后神经元成熟的延迟、以及皮质形成过程中早期HD皮层下投射的异常，揭示了受损的祖细胞和HD大脑中混乱的皮层神经元分层之间的因果关系。作者鉴定了新的长的、定向的、富集的HTTs的polyQ组装体，它们在hCOs的神经管中容纳大的平面高尔基体堆积和支架网格蛋白+囊泡。用Brefeldin A（BFA）抑制ARF1的激活，使高尔基体中的polyQ组装体分离。与hCOs相比，HD-hCOs神经管中PolyQ与mHTT支架组装更少的ARF1，形成更短的聚Q组装和更短的高尔基体和网格蛋白囊泡。在健康hCOs中，BFA抑制ARF1的激活复制神经管中受损的连接复合体。具有mHTT的内源性PolyQ组装减少了神经上皮中高尔基体募集 ARF1，损害了高尔基体结构和活性，并改变了HD-hCO中的皮质生成。
图一 HD hCOs的皮质投射神经元缺失和层叠形成 从神经发生开始，新生神经元呈放射状向软脑膜表面迁移，填充皮质板(CP)，皮质板构成了从更深的皮层到更浅的皮层的“由内而外”的不同层。作者使用TBR1、CTIP2和SATB2抗体代表不同皮层的投射神经元，对皮层进行分层探究过早的神经发生和增殖祖细胞的缺乏是否改变了hCOs中CP样区域的结构。TBR1+、CTIP2+和SATB2+细胞覆盖了CTR-hCOs中VZ外的大部分区域，并模拟了人类胎儿大脑中三个投射神经元的分层。相比之下，HD-hCO中的TBR1+、CTIP2+和SATB2 +细胞分散在HD-hCOs的CP样区域。47、60、80天hCOs细胞计数结果显示，H组TBR1+、CTIP2+、SATB2+细胞比例低于对照组，且SATB2+、TBR1+细胞差异明显。这些结果显示，HD组皮层投射神经元的减少伴随着神经元分层的扰动。新生兴奋性神经元的皮层发育，这些神经元共同表达投射特异性转录因子SATB2和CTIP2，与对照相比，HD-hCOs中的SATB2+细胞从47天增加到80天，SATB2+/CTIP2+细胞没有增加。与对照组相比，HD组CTIP2+细胞的积累和CTIP2+/SATB2+细胞的数量明显下降。综上所述，这些发现提示HD组中异常的CP样区域可能是由于特定皮层神经元亚型的失调所致。
图二 HD皮质投射在早期异常靶向纹状体类器官 使用集合体模型构建皮层下投射，以探究延迟成熟是否会破坏皮层下投射。将用GFP标记的CTR或HD-hCOs与健康的人类纹状体类器官（hStrOs）融合，创建hC-Stro组装体。GFP+阳性纺锤体起源于近端融合部位的边缘，穿过纹状体，到达远端部分，并随着融合的进行而扩展。然而没有观察到来自对照组的皮质类器官有任何明显的投射/纺锤体突出。作者进一步对融合的类器官进行切片和染色，以表征12、20和30 daf上的皮层下投射。数据显示，在所有三个时间点上，hCOHD -hStro的GFP+区体积（S R1/2/3）都高于hCOCTR-hStro。大多数GFP+MAP2+神经元表达囊泡性谷氨酸转运体（vGLUT1），表明它们在组装体中具有谷氨酸能特性。突触形成是神经元成熟的标志，为了探究HD-hCOs的投射是否成熟，使用突触前标记物Bassoon和突触后标记物PSD95对纹状体类器官的GFP+投射进行染色。数据表明，HD-hCOs比CTR-hCOs更早形成成熟的皮层下投射。
图三 内源性mHTT减少了hCOs神经管中ARF1与高尔基体polyQ组装复合物的结合 HD-hCOs神经管中网格蛋白+的较低水平和较短的高尔基体，具有mHTT的polyQ组装可能拆除一个调控高尔基体分类和结构的关键蛋白。这表明PolyQ 与mHTT的组装可能会破坏调节高尔基体排序和结构的关键蛋白质。HTT的 PolyQ结合ARFIP2，ARFIP2是物理附着ADP-核糖基化因子 (ARF1)的三种已知蛋白质之一。ARF1是一种鸟苷三磷酸酶（GTPase），通过鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEFs）将其GDP转化为GTP后招募到高尔基体，并控制高尔基体活性、囊泡形成和高尔基体结构。对结合ARF1的3B5H10+ polyQ组件的计数显示，在HD-hCOs中含有mHTT的polyQ组件附着的数量比没有mHTT的polyQ组件附着的更少的ARF1斑点。GM130和ARF1抗体的免疫染色显示，高尔基体的神经管HD-hCOs也招募更少的ARF1与健康神经管CTR-hCOs。Brefelidin A（BFA）通过抑制GEFs的Sec7结构域来抑制ARF1向高尔基体的招募。ZO-1和NCAD抗体免疫染色的3D SIM图像显示，BFA处理24 h诱导了神经管中TJs的结构崩塌，但没有明显降低ZO-1和NCAD的表达。HTT的PolyQ组装体与高尔基体堆叠的结合（稳定长的PolyQ组装体）依赖于NE中的ARF1-GTP，mHTT与PolyQ 组装体的结合减少了高尔基体募集ARF1。破坏ARF1-GTP与高尔基体的结合可复制HD神经管中受损的紧密连接。 总结  利用HD-hCOs和hCO-hStrO组装体，重现了HD胎儿大脑中皮质发生的改变和受损的连接复合体。使用mHTT的PolyQ组件减少了HD-hCOs中ARF1到高尔基中的招募。抑制ARF1向高尔基体的招募会导致NEs的连接复合体损伤。因此，在HD神经管中恢复ARF1向高尔基体的募集可能会挽救HD胎儿大脑中皮质发生的改变。  https:///10.1038/s41380-024-02562-0  找实验方法，上脑声常谈  |
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