精神分裂症易感基因TCF4在神经发育阶段调控机理研究

Schizophrenia (SCZ) is a genetically complex disease, while many SCZ risk genes converge in regulatory networks associated with SCZ during neurodevelopment. Effective biomarkers for SCZ early diagnosis and inference are urgently desired. Our previous studies suggested TCF4, one of the top risk genes in SCZ and a critical regulator of neurodevelopment, is a prime candidate for contributing to the organization of such networks by regulating other SCZ risk genes. To elucidate such network and understand the molecular links between TCF4 functions and SCZ, we intend to apply the CRISPR/Cas9 technology to knockout one copy of TCF4 in induced pluripotent stem cells (iPSCs) to better mimic the loss-of-function status that would exist in the developing human embryo prior to neuronal differentiation, and then integrating transcriptome sequencing (RNA sequencing) with genome-wide TCF4 binding (ChIP sequencing) in cerebral organoid derived from the TCF4 mutant iPSCs. To explore the possibility that TCF4 may regulate other SCZ risk genes in a human-specific manner in neurodevelopment, we propose a comparative study of transcription factor binding sites between human and mouse. Based on this project, we hope to give valuable insights into disease predisposition of SCZ and potential perturbed functional network contributing to SCZ during neurodevelopment, propose a molecular model that may apply to neurodevelopmental disorders more generally, and provide reference value and significance to the development of strategies for early diagnosis and inference by targeting key pathways and functional networks associated with SCZ.

精神分裂症（SCZ）病因极其复杂，在神经发育阶段存在易感基因汇合的致病关联网络，但目前缺乏有效的生物标记用于早期诊断和干预。我们的前期研究发现SCZ易感基因TCF4可能调控SCZ致病关联网络。本项目拟应用CRISPR/Cas9在诱导多能干细胞上敲除TCF4后分化成的类脑组织，建立TCF4功能缺失的人脑早期发育模型，采用多组学技术，阐释TCF4的基因（表达）调控网络，评估TCF4功能缺失的综合影响，确认TCF4对SCZ致病关联网络的调控作用，揭示TCF4对SCZ的调控机制。并通过比较TCF4的基因调控网络在人和小鼠间的不同，进一步探讨TCF4对其他SCZ易感基因人类特有的调控作用。本项目旨在丰富对SCZ患者早期易感倾向的认识，阐明SCZ以及其他神经发育障碍的分子发病机制，对研发用于早期诊断与干预的新靶标具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

目前普遍认为精神疾病是多基因遗传疾病，呈现出高度的遗传异质性和复杂性，其致病机制难以明确。近年来科学家发现基因表达和可变剪切的失调与精神疾病发生发展更为相关。基因表达和剪切是由转录调控机制和转录后调控机制共同决定的，因而本研究从转录层面（TGR）和转录后层面（PTGR）来阐释精神疾病潜在的致病机制和重要因素。转录层面：我们的研究结合生物信息学分析和实验验证系统地阐释了TCF4在人类神经发育早期大脑中的调控机制。借助人类全脑全时段转录谱和胚胎发育时期单细胞转录组数据确认TCF4在神经发育早期前额叶皮层高表达，明确了TCF4与大脑发育早期抑制性神经元的关联，从全基因组水平上对人类神经发育阶段皮层抑制性神经元中TCF4结合位点进行鉴定，绘制TCF4 SCZ致病基网络，找到TCF4致病关联网络参与的重要生物学过程。转录后层面：PTGR异常对基因表达水平改变的影响力大约是TGR异常影响的30%，精神分裂症（SCZ）和双相障碍（BD）中出现的PTGR异常有一定的相似性，均表现出对神经发生和分化的显著抑制，而自闭症（ASD）的PTGR异常则表现出对细胞凋亡的过度激活。尤为引起注意的是，大部分基因在ASD中呈现出异常高的RNA稳定性，而SCZ和BD中则与之完全相反，折射出不同精神疾病之间的复杂性和差别性可能是特定RNA群体稳定性的差异所造成；生物信息学预测多种RBPs在疾病特异的PTGR异常中发挥着显著作用，其中，ELAVL3在三种精神疾病中都发挥着显著的作用，其在ASD中活性增加，而在SCZ/BD中活性减少，进而导致细胞凋亡、神经发育和分化相关基因的mRNA稳定性发生改变，提示该基因的活性变化可能是引发精神疾病特异的PTGR异常的重要原因之一，甚至是引起精神疾病致病特异性的重要机理。以上发现不仅拓展了对表达调控异常与精神疾病关系的认识，同时也为探索精神疾病致病机理提供了新的视角。最后，我们发现许多精神疾病易感因子是一个经典抗衰老基因Klotho的靶基因，并验证该基因具有抗凋亡的潜力，同时还能促进神经元的分化，为治疗精神疾病提供了一个潜在的药物靶点。