西班牙國家研究委員會(huì )與米蓋爾·埃爾南德斯大學(xué)（UMH）共同設立的神經(jīng)科學(xué)研究所（IN）的神經(jīng)發(fā)生與皮層擴張實(shí)驗室，與貝爾法斯特女王大學(xué)（英國）的實(shí)驗醫學(xué)威康沃爾森研究所由維杰·K·提瓦里領(lǐng)導的實(shí)驗室合作，共同進(jìn)行的最新研究旨在探究影響大腦皺褶形成的遺傳及表觀(guān)遺傳因素。這項成果已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志，研究顯示表觀(guān)遺傳標記是形成大腦皮層皺褶的關(guān)鍵機制，而Cux2蛋白在此過(guò)程中起著(zhù)決定性作用。

Borrell團隊此前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種基因層面的原圖譜，用以確定大腦在胚胎發(fā)育階段尚未開(kāi)始形成皺褶時(shí)，大腦回與腦溝的生成位置。“最初，皮層是光滑的，但其中一個(gè)區域會(huì )大量增長(cháng)，隨著(zhù)其增長(cháng)，將形成大腦回。與此同時(shí)，周邊的其他區域增長(cháng)較少，形成凹陷，即大腦溝”，研究者解釋說(shuō)，并補充：“這是因為在胚胎的皮層發(fā)育過(guò)程中有數千個(gè)基因被表達，但這些基因在各個(gè)區域的表達量并不相同。”

得益于與提瓦里實(shí)驗室的合作，該實(shí)驗室是表觀(guān)遺傳學(xué)與表觀(guān)組學(xué)分析的專(zhuān)家，研究團隊得以進(jìn)一步探索所謂的大腦皮層細胞的表觀(guān)遺傳景觀(guān)。“我們不僅研究了特定位置的特定基因，還觀(guān)察了細胞所有DNA及其表觀(guān)遺傳修飾，這些修飾決定了這些基因的行為模式，從而幫助我們理解引發(fā)這些基因表達的機制”，Borrell強調。

圖片信息：雪貂大腦的圖像顯示了由cux2蛋白介導的折疊模式的改變（左）。

在這項研究中，研究人員特別關(guān)注表觀(guān)遺傳標記H3K27ac，因其是預測基因表達最有效的指標之一。然而，研究結果令人意外：“我們發(fā)現在很多含有H3K27ac的區域，基因表達并未發(fā)生；相反，一些沒(méi)有這種表觀(guān)遺傳標記的基因卻表達了”，文章的共同第一作者露西亞·德?tīng)?middot;巴列·安東說(shuō)道。專(zhuān)家們認為這一發(fā)現清楚地指出了神經(jīng)系統的復雜性：“在表觀(guān)遺傳學(xué)領(lǐng)域，我們的研究顯示，在發(fā)展過(guò)程中的神經(jīng)系統與身體其他組織的功能不盡相同，這無(wú)疑是一個(gè)激動(dòng)人心的挑戰，前方的道路還很長(cháng)”，Borrell補充道。

這一意外發(fā)現促使研究人員進(jìn)一步探究在那些H3K27ac標記與基因表達同時(shí)存在的基因中發(fā)生了什么。因此，他們將研究重點(diǎn)放在了直接調控基因表達量的轉錄因子上，尤其是廣為人知的Cux2蛋白。

圖1：Cux2是皮質(zhì)折疊的潛在關(guān)鍵調控因子。

Cux2，作為一個(gè)關(guān)鍵因子，涉及神經(jīng)元分化、樹(shù)突生長(cháng)及神經(jīng)回路的總體構建。研究團隊特別關(guān)注了這一因子對大腦皺褶形成的影響，并在胚胎發(fā)育期間將編碼這種蛋白的DNA引入大腦。通過(guò)這種技術(shù)，他們證實(shí)了Cux2能夠改變皺褶模式：“它不僅能在原本平滑的小鼠大腦皮層產(chǎn)生皺褶，還能在本已具有皺褶的雪貂大腦中徹底改變已有的皺褶模式”，德?tīng)?middot;巴列·安東詳細說(shuō)明。

這些結果揭示了Cux2在皺褶形成中的關(guān)鍵作用：“我們了解到，皺褶的形成需要多個(gè)過(guò)程的共同作用。通過(guò)本次研究，我們確認了Cux2作為一個(gè)關(guān)鍵因子，能夠利用表觀(guān)遺傳景觀(guān)進(jìn)行必要的調整，引導成千上萬(wàn)個(gè)執行不同功能的基因表達。所有這些因素的結合，最終使大腦皺褶的形成成為可能”，Borrell解釋說(shuō)。

圖2：Cux2的區塊式表達誘導小鼠中的皮質(zhì)折疊。

通過(guò)單細胞測序技術(shù)，研究人員能夠分析Cux2在細胞中引起的變化，從而推動(dòng)大腦回的生成。他們發(fā)現，一種負責生成神經(jīng)元的干細胞——放射狀膠質(zhì)細胞——幾乎消失了，從而使得其他類(lèi)型的放射狀膠質(zhì)細胞得以大量增生。這不僅影響了生成神經(jīng)元的祖細胞類(lèi)型，也直接關(guān)系到大腦回與溝的發(fā)展。

大腦皺褶是人類(lèi)大腦的一大特征，其缺陷可能導致嚴重的學(xué)習和智力障礙。有時(shí)，患者會(huì )因為基因突變而缺乏大腦回，從而導致大腦畸形。對此，Borrell指出，進(jìn)行基礎研究“對于理解這些疾病背后的生物學(xué)至關(guān)重要，能夠使我們更接近找到可能的解決方案。”

這項研究是“解析大腦皺褶在力學(xué)、細胞生物學(xué)和遺傳學(xué)角度的動(dòng)態(tài)相互作用”（UNFOLD項目，ERC-2023-SyG n°101118729）的一部分，該項目的目標是從力學(xué)、細胞生物學(xué)和遺傳學(xué)的角度研究皮層折疊。

雜志：Science Advances

DOI：10.1126/sciadv.adn1640