12
月
(資料圖片僅供參考)
12
日，
中國科學院北京生科院孫中生團隊、溫州醫科大學、首都兒科研究所合作，在 Advanced Science 上， 在線發表了 題為
Loss-of-Function of p21-Activated Kinase 2 Links BMP Signaling to Neural Tube Patterning Defects
的研究論文。該研究聚焦神經管畸形的致病機制，綜合運用神經生物學、人類遺傳學、多組學等技術手段，在多種模式生物中揭示了
PAK2
調節背外側鉸鏈點形成和神經管發育及其功能異常所致神經管畸形的致病機理，為探究神經管畸形的病理機制提供了嶄新視角。
神經管是中樞神經系統發育的基礎，在胚胎后期發育成腦和脊柱。在脊椎動物中，神經管閉合是高度復雜的動態調控過程，涉及許多由遺傳和表觀遺傳因素精確控制的細胞事件。神經管閉合異常會導致神經管畸形。神經管畸形致死率和致畸率較高，給患者家庭帶來沉重的經濟與精神負擔。神經管畸形
是胎兒和新生兒中最嚴重的出生缺陷類疾病之一。
PAK 家族是一類可以調控細胞骨架的蛋白激酶。該團隊的前期研究確定了 PAK2 在腦發育中的重要功能，并闡明了 PAK2 在自閉癥發病中的分子機制（ Wang et al., 2018 ）。本研究發現 Pak2 純和缺失小鼠在胚胎期 9.5 天時發育遲緩，表現出顱脊柱裂的表型。進一步研究發現，在胚胎期 9.5 天時， Pak2 純和缺失小鼠未能在后腦和脊柱部位抬起雙側神經板，導致背外側鉸鏈點形成失敗。這提示 PAK2 基因對于整個頭尾胚軸的背外側彎曲是必要的。研究通過分析胚胎期 9.5 天的轉錄組發現， Pak2 純和缺失小鼠的差異表達基因顯著富集到初級神經管形成、前腦、中腦、后腦發育、模式特化過程和脊柱發育過程。這些差異表達基因還顯著地富集于 BMP 信號通路。 BMP 信號通路的多個配體，如 BMP4/5 和下游 Smad9 的磷酸化水平，均在 Pak2 純和缺失小鼠中顯著增加。科研團隊進一步將 Smad9 蛋白 417 位點絲氨酸突變后可減弱 PAK2 和 Smad9 蛋白的相互作用，并解除 PAK2 對 Smad9 蛋白 465 位點絲氨酸磷酸化的抑制。上述工作提示 PAK2 可通過調控 Smad9 蛋白的磷酸化水平，從而抑制 BMP 信號通路，促使雙側神經板的抬起和神經管背外側鉸鏈點形成。 ?
單細胞測序技術進一步顯示， Pak2 純和缺失后可影響中胚層細胞向神經管及前腦和脊柱的分化軌跡，使得與神經管和神經管發育而成的前腦、后腦、脊柱等相關的細胞類型顯著下降。與野生型胚胎相比， Pak2 純和缺失胚胎的神經管發育分數及前腦（尤其是間腦部分）發育分數降低。同時， BMP 信號通路及該信號通路中的基因表達在 Pak2 純和缺失胚胎中增加。這提示 Pak2 純和缺失胚胎中異常的分化時序與異常的轉錄狀態相關。 ?
該團隊在流產的神經管畸形胎兒中檢測到 5 個位于 PAK2 基因的點突變。研究運用 NanoString 檢測方法，發現攜帶 PAK2 突變的胎兒腦組織中 PAK2 的水平降低而 BMP 信號通路中多個基因的水平增加。同時，研究發現 PAK2 突變點可影響 PAK2 蛋白的穩定性，抑制 ATP 轉化 ADP 的水平，顯著降低 PAK2 的活性形式 pPAK2 的水平，提示該突變位點影響 PAK2 激酶活性。 ?
研究在斑馬魚中用 CRISPR-Cas9 系統 構建了 pak2a 的特異敲除模型。該模型在出生后 48 小時后在頭部背前側區域出現了一個明顯的空腔，提示其神經管發育異常。研究在敲除 pak2a 的斑馬魚中過表達神經管畸形患者攜帶的 PAK2 突變位點，發現不能改善斑馬魚神經管畸形的表型。 ?
綜上，該研究以神經管特定發育事件（背外側鉸鏈點形成）為出發點、從細胞動態時序發育過程（單細胞測序技術）、分子機制（磷酸化激酶活性）和信號通路（ BMP 通路）等多水平，在多種脊椎類生物中闡明了 PAK2 在神經管發育的作用機制。 ?
研究工作得到國家自然科學基金和廣東省重點領域研發計劃等的支持。 ?
論文鏈接
圖1. Pak2 純和缺失胚胎中異常的分化時序 ?
圖 2 . PAK2 在神經管發育的作用機制 ?
