Science丨自闭症突变通过重构蛋白质互作网络来驱动神经发育病理学|复合物|病理学|祖细胞|神经发育|自闭症突变|蛋白质

撰文丨章台柳

自闭症谱系障碍（ASD）是一种具有高度遗传性的神经发育综合征，其特点是具有显著的遗传异质性和个体间临床差异。在过去 15 年中，全外显子组测序研究基于 ASD 相关的罕见（通常是新发的）蛋白质变异，已经鉴定出 250 多个效应显著（ large-effect ）的风险基因。这些效应显著的编码区突变在病情最严重、且合并有其他神经发育障碍（包括智力障碍、癫痫、无语言或极少语言，以及严重运动发育迟缓）的 ASD 患者中高度富集。

尽管取得了这些进展，但要将高置信度 ASD 风险（ hcASD ）基因转化为对病理生理学的深入理解，并最终为病情最严重的患者开发出有效的靶向治疗方法，依然面临着巨大挑战。目前存在两个核心的待解决问题：多样化的 ASD 蛋白在多大程度上收敛到共享的分子复合物上，以及具体的致病突变如何改变蛋白质结构、相互作用、功能，并最终影响神经发育。一个潜在的策略是在蛋白质 - 蛋白质相互作用（ PPI ）层面来分析已经确定的 ASD 风险基因，探究疾病相关的编码突变是选择性破坏或重构这些相互作用，还是仅仅全盘废除基因功能。如果与 hcASD 相关的突变通过重构共享的蛋白复合物发生收敛，那么 PPI 网络应当能指明将基因变异与神经发育功能障碍联系起来的可靶向因果机制。检验这一假设需要系统性、大规模且与疾病相关的相互作用图谱，解析涉及相当一部分 ASD 蛋白质组的野生型（ WT ）相互作用和突变特异性扰动。然而，目前尚没有此类图谱。

近日，来自 UCSF 的 Nevan J. Krogan 、 A. Jeremy Willsey 、 Matthew W. State 、 Tomasz J. Nowakowski 和 Kirsten Obernier 团队合作在 Science 杂志上发表文章 Autism mutations rewire protein interaction networks to drive neurodevelopmental pathology ，构建了自闭症的蛋白质-蛋白质相互作用网络，并揭示出自闭症相关的突变基因通过重构蛋白质互作网络来驱动神经发育病理学。

研究人员在 HEK 293 T 细胞中单独表达 1 00 个带有 Strep 标签的 hcASD 蛋白，并利用亲和纯化 - 质谱联用技术（ AP-MS ）来评估这些 hcASD 基因之间的结构和功能关系，从而合成了 ASD PPI 网络。在 HEK 293 T 细胞中表达 54 个来自患者的错义突变蛋白，来探究突变对 ASD PPI 网络的干扰。构建的 ASD-PPI 网络包含 1800 多种相互作用，其中 87% 此前未见报道。该网络在兴奋性谱系的神经祖细胞（ NPCs ）中显著富集，展现出高度互联的架构。通过将这些数据集与 AlphaFold 结构建模以及在爪蟾（ Xenopus ）和人前脑类器官中的功能研究相结合，发现风险蛋白收敛于共享的复合物上（包括 DCAF7 ）。对特定相互作用的功能探究表明，破坏此前未见特征的DCAF7-DYRK1A-KIAA023复合物会损害祖细胞增殖，并在体内减少前脑体积。此外，来自患者的错义突变频繁诱导收敛的 PPI 重构。例如，不同的 FOXP1 突变削弱了其与 FOXP4 的物理相互作用，导致 FOXP4 发生获得性功能重定向至异位基因组靶点。在人前脑类器官中，这种生化重构导致了皮层神经元早熟分化和神经活动改变。在 FOXP1 突变背景下基因敲除 FOXP4 挽救了这些神经发育缺陷；尽管确切机制仍需进一步明确，但这一现象表明重构的相互作用是导致突变表型的原因。

综合来看，这些发现阐明了ASD中分子收敛的双层模型：即野生型状态下通过共享相互作用网络实现收敛，而突变状态下通过相互作用重构产生的反复出现的同一功能后果实现收敛。更广泛地讲，这项工作为系统探究自闭症蛋白质组建立了一个可扩展的框架，使可药化蛋白质界面的优先排序成为可能，并为旨在恢复神经发育轨迹的精准治疗策略奠定了合理基础。