唐氏综合征（Down syndrome，DS），又称21三体综合征，是由染色体异常引起的出生缺陷类疾病。唐氏综合征的发病率发生率约为1/800，是人群中发病率较高的一类遗传疾病。60%患儿在胎内早期即流产，存活者有明显的智能落后、特殊面容、生长发育障碍和多发畸形。迄今，医学上针对此疾病尚无有效药物治疗，唯一有效可行方法是采取产前唐氏筛查及早发现从而终止妊娠。唐氏转基因模式动物及唐氏流产胚胎标本的研究结果表明唐氏综合征患者大脑皮质发育迟缓、分层紊乱、且细胞密度减小，但机理尚不明确。
近日，南京医科大学刘妍/林明焰/郭兴团队在the Journal of Clinical Investigation杂志上发表了题为DSCAM/PAK1 pathway suppression reverses neurogenesis deficits in iPSC-derived cerebral organoids from patients with Down syndrome的研究论文，这项研究报道了唐氏综合征患者来源的大脑类器官存在皮层祖细胞增殖能力降低、皮层神经元神经发生存在缺陷，而通过干预DSCAM基因表达及抑制其下游分子PAK1可挽救唐氏综合征皮层发育缺陷。
人诱导多潜能干细胞（Human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）是由人的体细胞重编程而来，保留了病人的遗传特征，与胚胎干细胞相似，诱导多潜能干细胞是一类具有无限自我更新和多向分化潜能的细胞，可广泛用于构建疾病模型，进行药物筛选等。作者通过将唐氏综合征病人来源和正常人来源的人诱导多潜能干细胞分化为大脑皮层类器官，模拟了人类大脑的早期皮层发育过程。
为了深入了解三体和整倍体类器官中特定细胞类型的转录组学变化，作者将体外分化第30天和第70天的类器官进行了单细胞转录组学测序分析。伪时间轴分析结果表明，唐氏综合征来源类器官从祖细胞到神经元轨迹的发育状态与正常组相比存在延迟。第30天的类器官免疫染色结果也表明，唐氏综合征存在增殖能力显著降低。此外，从第70天的单细胞数据中，作者发现唐氏综合征类器官中皮层深层和浅层的成熟神经元的细胞组成明显降低。进一步分析表明，部分皮层谷氨酰胺能神经元亚型标记物在唐氏综合征中的平均表达量和表达百分比均呈现不同程度的下降。同样，作者也发现，培养至第70天的唐氏综合征类器官CP样区可以观察到明显CTIP2以及SATB2的降低表达。这些数据表明唐氏综合征来源的大脑类器官存在皮层发育缺陷。
接下来，作者发现DSCAM信号通路表达异常，使用Crisp/Cas9基因编辑手段将DSCAM基因敲低，发现DSCAM基因敲低可有效挽救唐氏综合征皮层类器官的神经前体细胞增殖能力降低和皮层神经元发生缺陷。作者进一步靶向DSCAM下游效应分子PAK1，尝试运用抑制剂FRAX486调控PAK1信号通路，发现其可同样挽救唐氏综合征来源的皮层发育缺陷。
总之，该团队揭示了DSCAM/PAK1信号通路在调节唐氏综合征皮层发育过程中的重要性，为唐氏综合征相关的病理表型的研究提供了人源性3D类器官模型，并为实现针对唐氏综合征的药物筛选、个体化治疗提供强有力的理论依据和技术平台。
南京医科大学刘妍教授、林明焰副教授与郭兴教授为该论文的共同通讯作者；南京医科大学药学院2021届博士研究生唐晓艳为该论文的第一作者。
原文链接：
https://www.jci.org/articles/view/135763