近日，東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院、教育部“發(fā)育與疾病相關(guān)基因”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙春杰研究團(tuán)隊(duì)在Science Advances刊發(fā)了題為FOXG1 drives transcriptomic networks to specify principal neuron subtypes during the development of the medial pallium的研究論文（東南大學(xué)博士生巴茹、復(fù)旦大學(xué)博士生楊霖為論文的共同第一作者）。

大腦的古皮質(zhì)在進(jìn)化上發(fā)生較早，早于新皮質(zhì)，由海馬CA1-CA3、齒狀回和海馬下托等亞區(qū)組成，是行使學(xué)習(xí)記憶、空間定位以及情緒等腦高級(jí)功能的主要腦區(qū)；壓后皮質(zhì)位于新皮質(zhì)和古皮質(zhì)之間，又被稱為中間皮質(zhì)或移行皮質(zhì)，在發(fā)生上晚于古皮質(zhì)。壓后皮質(zhì)與其鄰近的海馬及海馬下托等區(qū)域存在著緊密的神經(jīng)投射聯(lián)結(jié)，也是調(diào)節(jié)情景記憶、空間記憶等功能的重要腦區(qū)。古皮質(zhì)和壓后皮質(zhì)發(fā)育異常可導(dǎo)致多種腦高級(jí)功能障礙，其中包括自閉癥譜系障礙、精神分裂癥、癲癇等疾病。但是，目前對(duì)于海馬CA1-CA3、齒狀回、海馬下托以及壓后皮質(zhì)各亞區(qū)是如何發(fā)育特化的，所知甚少。

該研究聚焦調(diào)控大腦發(fā)育的重要轉(zhuǎn)錄因子FOXG1開展研究，前期研究工作表明FOXG1基因突變可引發(fā)FOXG1綜合征，患者表現(xiàn)出小頭畸形、發(fā)育遲緩、智力低下、社交退縮行為、刻板動(dòng)作語(yǔ)言障礙以及癲癇等。該研究通過(guò)建立條件性Foxg1基因敲除小鼠，結(jié)合單細(xì)胞測(cè)序、ChIP-qPCR和子宮內(nèi)胚胎電轉(zhuǎn)等技術(shù)，解析了FOXG1調(diào)控CA1-CA3、齒狀回、海馬下托以及壓后皮質(zhì)各亞區(qū)不同類型興奮性投射神經(jīng)元的特化機(jī)制，揭示了古皮質(zhì)和壓后皮質(zhì)發(fā)育的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律，有助于理解學(xué)習(xí)記憶、空間定向和情緒調(diào)節(jié)等腦高級(jí)功能的生物學(xué)基礎(chǔ)，加深了人們對(duì)FOXG1綜合征、自閉癥譜系障礙等疾病發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并為研發(fā)相關(guān)神經(jīng)精神疾病的早期診斷手段以及發(fā)現(xiàn)干預(yù)靶點(diǎn)提供了新的線索。

在發(fā)育過(guò)程中，海馬CA1-CA3、齒狀回、海馬下托以及壓后皮質(zhì)的興奮性投射神經(jīng)元均由大腦內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的神經(jīng)干細(xì)胞增殖而來(lái)，細(xì)胞離開細(xì)胞周期后經(jīng)過(guò)精密而嚴(yán)格的基因時(shí)序轉(zhuǎn)錄調(diào)控進(jìn)而特化為不同類型的神經(jīng)元。研究團(tuán)隊(duì)利用Nex-Cre和Foxg1fl/fl小鼠在大腦皮質(zhì)有絲分裂后神經(jīng)元中敲除Foxg1，通過(guò)形態(tài)學(xué)分析和單細(xì)胞測(cè)序后的細(xì)胞類型鑒定分析，發(fā)現(xiàn)敲除Foxg1導(dǎo)致壓后皮質(zhì)和海馬下托區(qū)域的錐體神經(jīng)元消失，無(wú)法特化；海馬下托的鄰接區(qū)域CA1的錐體神經(jīng)元喪失了其特異性的分子表達(dá)譜，轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)CA3的特征，而正常狀態(tài)下CA1和CA3的錐體神經(jīng)元雖然在形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上具有很高的相似性，但二者又各自具有其獨(dú)特的分子表達(dá)譜。因此在Foxg1敲除小鼠的大腦皮質(zhì)中，整個(gè)古皮質(zhì)和壓后皮質(zhì)區(qū)域被CA3錐體神經(jīng)元和齒狀回顆粒細(xì)胞所占據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)比較分析野生型和敲除小鼠古皮質(zhì)和壓后皮質(zhì)各亞區(qū)不同類型神經(jīng)元的基因轉(zhuǎn)錄圖譜，鑒定了FOXG1下游的靶基因，并在神經(jīng)元類型特異性表達(dá)、兩組或者多組類型神經(jīng)元共表達(dá)以及各亞區(qū)普遍共表達(dá)的基因圖譜三個(gè)層面解析了FOXG1調(diào)控不同類型神經(jīng)元特化的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)。為了進(jìn)一步在上述三個(gè)層面解析和驗(yàn)證FOXG1的調(diào)控功能，研究人員利用ChIP-qPCR，免疫熒光素酶實(shí)驗(yàn)和子宮內(nèi)胚胎電轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)FOXG1通過(guò)直接抑制細(xì)胞命運(yùn)關(guān)鍵決定因子Zbtb20，Prox1和Epha4的轉(zhuǎn)錄進(jìn)而阻遏海馬特性、促進(jìn)壓后皮質(zhì)和海馬下托錐體神經(jīng)元的特化；同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)錄激活Nr4a2促進(jìn)海馬下托錐體神經(jīng)元的特性；通過(guò)激活Satb2促進(jìn)壓后皮質(zhì)神經(jīng)元的特化；在CA1錐體神經(jīng)元的特化過(guò)程中需要FOXG1直接抑制Tbr1的轉(zhuǎn)錄。因此，F(xiàn)OXG1作為上游關(guān)鍵因子通過(guò)精密地調(diào)控不同的基因轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)決定古皮質(zhì)和壓后皮質(zhì)不同類型神經(jīng)元的特化。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目以及科技部“腦科學(xué)與類腦研究”計(jì)劃等資助，復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院楊振綱教授課題組對(duì)此項(xiàng)研究給予了大力支持和幫助。