摘要：长期以来，雷特综合征一直被视为由MECP2基因缺失引起的一种单一疾病。然而，一项具有里程碑意义的研究证明，该单一基因的不同突变会产生截然不同的细胞"蓝图"。
研究人员利用从患者细胞培养的3D人类脑类器官（微型脑），发现特定突变需要完全不同的医疗治疗方法。这项工作将重点从"一刀切"的方法转向神经发育障碍的个性化精准医疗。
关键发现
- 网络差异：一种称为"小世界倾向性"（SWP）的大脑效率指标在R306C突变中降低，而在V247X突变中增加。这意味着大脑的信息处理图谱会因突变不同而向相反方向断裂。
- 细胞元凶：V247X类器官显示出无法支持神经元的"星形"星形胶质细胞，同时γ-氨基丁酸（GABA，大脑主要的"镇静"化学物质）受体显著减少。
- 基因过表达：R306C类器官过表达一种名为HDAC2的基因，它充当"沉默子"，阻止其他必要基因开启。
- 特定治疗方法：由于潜在的故障不同，"治疗方法"必须具有特异性。HDAC2抑制剂恢复了R306C类器官，而修复V247X模型则需要一种名为巴氯芬的GABA激动剂。
尽管许多研究将发育障碍雷特综合征视为由MECP2基因功能普遍丧失引起的单一疾病，但麻省理工学院学习与记忆皮考尔研究所的神经科学家进行的一项新研究表明，该基因的两种不同突变在实验室培养物中导致了许多不同的异常。
此外，纠正每种突变造成的关键差异需要不同的治疗方法。
"个体突变很重要，"这项发表在《自然通讯》上的新研究的资深作者、皮考尔研究所和脑与认知科学系的牛顿教授马里甘卡·苏尔表示，"这是一种实现个性化治疗的方法，即使是针对单基因疾病。"
该研究采用了先进的3D人类脑组织培养物，称为"类器官"或"微型脑"，这些类器官由患有每种突变的雷特综合征患者的皮肤细胞或血细胞捐赠而来。
该研究的主要作者、皮考尔研究所研究科学家大崎达也表示，类器官能够模拟每种突变的具体后果，使他获得了在先前研究中未曾出现的突变特异性见解，在那些研究中，科学家只是完全敲除了MECP2。这些类器官还提供了一个新的机会来了解每种突变如何影响不同类型的细胞及其相互作用。
不同效应
MECP2中有800多种突变可导致雷特综合征，但其中只有8种突变占病例的60%以上。苏尔和大崎选择了其中一种，R306C，它仅涉及一个DNA碱基对的差异（916C>T），因为它代表了7-8%的雷特综合征病例。
他们选择的另一种突变V247X则更为罕见且严重，因为它通过一个DNA碱基缺失（705Gdel）切断了基因蛋白质产物的生产，使得蛋白质不仅出错，而且不完整。
在培养三个月的类器官中，每种突变与非突变MECP2的对照类器官相比，产生了一些共同但有时也不同的后果。在许多实验中，研究团队使用了"三光子"显微镜，这种显微镜能够穿透类器官约1毫米的厚度，实现细胞级分辨率，解析它们的结构（通过"三次谐波生成"成像）和神经元的实时活动模式（通过钙荧光）。
例如，科学家观察到V247X类器官与对照组相比表现出几种结构差异——它们更大，各层厚度也不同——但R306C类器官与对照组更为相似。携带任一突变的类器官与对照组相比，神经元的轴突投射发育都不如对照组。
在观察类器官中神经活动和连接性的特性时，科学家发现两种突变都有一些相似的缺陷。与对照组相比，两者都显示出神经元放电活动和同步性降低。
但当科学家观察其他特性时，类器官开始彼此分道扬镳。特别是，一种表示网络结构效率的指标，称为"小世界倾向性"（SWP），在R306C类器官中降低，而在V247X类器官中增加，与对照组相比。这意味着两种突变都改变了典型信息处理网络结构的发育，但方向不同。
为确保他们的结果对雷特综合征患者有意义，该团队与波士顿儿童医院的查尔斯·尼尔森合作，他的团队测量了几名具有不同雷特突变的儿童的脑电图（EEG）。尽管样本量很小，但研究人员测量到志愿者脑电图读数中的SWP特性发生了改变，与类器官中的情况类似。
最后，通过将兴奋性神经元标记为一种颜色闪光，抑制性神经元标记为另一种颜色闪光，科学家能够看到V247X类器官中不同类型神经元之间的连接性与对照组相比存在显著差异。
治疗测试
所有测试表明，每种突变都会导致类器官结构、活动和连接性的多种变化，而且这些偏差通常特定于特定突变。
为了了解这些差异是如何产生的，以及如何可能被纠正，苏尔和大崎的团队开始研究每种类器官中的细胞如何与对照组不同地表达它们的基因。基因表达的差异通常会导致细胞中关键分子通路的改变，从而破坏它们的活动和功能。
使用一种称为单细胞RNA测序的技术进行分析，确实发现了每种类器官类型中有数百种差异，其中一些基因的表达高于对照组，而另一些则表达不足。
例如，分析显示，在R306C类器官中，一种名为HDAC2的基因被过表达。该蛋白质以抑制其他基因的表达而闻名。同时，在V247X类器官中，科学家发现抑制性神经递质GABA的一些受体基因表达减少。这些类器官还显示出支持神经功能多方面的星形胶质细胞功能缺陷。
携带任一突变的类器官在使神经元之间称为突触的电路连接发展的分子通路上也表现出异常。
鉴于他们观察到的具体缺陷，科学家决定用一种可以抑制HDAC2活性的药物和一种增加GABA效力的药物来治疗类器官。HDAC2抑制剂将R306C类器官的神经元活动和SWP恢复到正常水平，而GABA"激动剂"巴氯芬则将V247X类器官的SWP恢复到对照水平。
大崎指出，每种治疗药物已经在其他疾病背景下进行了研究，这意味着它们是已被充分了解的药物，可以重新利用。
苏尔表示，现在研究人员已经开发出一个类器官平台，用于剖析个别突变的后果，识别它们的根源并测试治疗方法，他们计划将其应用于研究另外四种突变，将它们全部与标准化对照类器官进行比较。
除了苏尔、大崎和尼尔森外，该论文的其他作者还有Chloe Delepine、Yuma Osako、Devorah Kranz、April Levin和Michela Fagiolini。
资金支持：美国国立卫生研究院、MURI拨款、The Freedom Together Foundation和西蒙斯基金会为这项研究提供了支持。
解答关键问题：
问：如果是同一个基因引起的问题，为什么治疗方法需要不同？
答：可以把MECP2基因想象成一位主建筑师。一个突变可能使建筑师忘记安装管道，而另一个突变可能使他们把墙壁建得太厚。你不能通过减薄墙壁来修复管道问题。通过使用"微型脑"，科学家可以看到确切的"建筑错误"并具体地修复它。
问："微型脑"是什么，它有什么帮助？
答：这些是类器官，是从患者自身的皮肤或血细胞培养出的小型3D人类脑组织集群。它们允许研究人员在实验室培养皿中观察患者特定的脑发育情况，安全地测试数十种药物，而无需接触实际患者。
问：这是否意味着治愈方法即将问世？
答：虽然还不是完全的治愈方法，但这向个性化治疗迈出了巨大一步。本研究中使用的药物（如巴氯芬）已经获得FDA批准用于其他用途，这可能会大大加快针对特定基因谱的临床试验时间表。
编辑说明：
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关于此神经科学研究新闻
作者：戴维·奥伦斯坦
来源：麻省理工学院皮考尔研究所
联系人：戴维·奥伦斯坦——麻省理工学院皮考尔研究所
图片：图片由Neuroscience News提供
原始研究：开放获取。
《雷特综合征患者衍生的人类皮质类器官中MECP2突变对功能网络的早期差异影响》，作者：大崎达也、Chloe Delepine、小坂悠马、Devorah Kranz、April Levin、查尔斯·尼尔森、Michela Fagiolini和马里甘卡·苏尔，《自然通讯》
DOI:10.1038/s41467-026-71458-0
摘要
从诱导多能干细胞衍生的人类脑类器官可以重现早期发育过程，并揭示涉及神经发育障碍的变化。
X连锁甲基-CpG结合蛋白2（MECP2）基因的突变与雷特综合征相关，疾病严重程度取决于突变的位置和类型。
在此，我们专注于雷特综合征患者衍生类器官中的神经元活动，使用三光子显微镜进行钙成像，分析两种类型的MECP2突变——错义突变（R306C）和截短突变（V247X）。
与同基因对照相比，我们发现雷特类器官中存在异常的神经元活动，并基于图论分析发现网络功能改变，V247X突变对功能反应和连接性的影响比R306C突变更严重。
这些变化与从具有类似突变的患者获得的脑电图（EEG）数据平行。标记DLX启动子驱动的抑制性神经元显示了两种突变类型中抑制性和兴奋性神经元活动和功能连接性的差异。
转录组分析显示R306C类器官中与HDAC2相关的损伤，以及V247X类器官中兴奋性神经元中GABAA受体表达减少。
这些发现证明了雷特综合征中突变特异性的脆弱机制，并提出了针对其治疗的靶向策略。
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