【Cell子刊】揭秘人类大脑进化：北京大学王韵团队发现染色质结构域Y样在皮层发育中的关键作用

【导读】神经干细胞（NSC）的命运决定对于皮层发育至关重要，并且当基因表达网络被破坏时，它与神经发育障碍密切相关。转录辅阻遏物染色质结构域Y样（CDYL）在人类胚胎皮层内的不同细胞群中广泛表达。然而，它在皮质发育中的确切作用仍不清楚。

2024年10月， 北京大学神经科学研究所王韵团队在期刊《Cell Reports》上发表了题为“The chromodomain protein CDYL confers forebrain identity to human cortical organoids by inhibiting neuronatin”的研究论文。在这项研究中，团队表明CDYL对人类皮层神经发生至关重要，并且它的缺乏导致皮质类器官中γ-氨基丁酸（GABA）能神经元的显著增加。团队的数据提供了对CDYL在人类皮层发育中的进化作用的见解，强调了它在维持人类皮层NSC命运方面的关键功能。

关于染色质结构域Y样（CDYL）

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染色质结构域Y样（CDYL）蛋白由氨基末端经典染色质结构域和羧基末端烯酰辅酶A水合酶/异构酶催化结构域组成，在基因抑制中发挥关键作用。既往研究表明，CDYL促进组蛋白H3在染色质上赖氨酸27（H3K27me3）位点三甲基化的建立和传播，并介导G9a和RE1沉默转录因子（REST）之间的相互作用，导致形成抑制基因表达的REST/CDYL/G9a复合物。已知CDYL可调节中枢和周围神经系统中的神经元迁移、神经元兴奋性和突触可塑性。

人类多能干细胞（hPSC）技术的进步，引入了一种研究人类神经发育的有效方法。最近开发的脑类器官（源自hPSC的自组织细胞聚集体）可以模拟胚胎大脑发育。这些三维（3D）类器官可以通过内在信号和外部模式线索，潜在地产生不同的脑细胞类型和结构。

在这项研究中，团队确定了CDYL在维持人皮质类器官（CO）模型中NSCs的细胞命运承诺中的重要作用。此外，团队发现神经元素（NNAT）是CDYL的关键靶标，特别是在人类中，其异常表达显著影响皮层NSC的增殖和神经元分化。重要的是，CDYL对人类和小鼠皮层发育的影响差异很大。

CDYL抑制人类皮层发育过程中的NNAT转录

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为了揭示CDYL控制人类皮层发育的分子机制，团队从3D CO的RNA-seq数据中，对上调最高的DEGs进行了全面调查。该结果表明，NNAT（一种可能与大脑发育中的神经发生相关的基因）在此过程中起着关键作用。

为了探索CDYL和NNAT基因之间的潜在相互作用，团队进行了染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）。两个平行实验的结果一致表明，CDYL或FLAG-CDYL融合蛋白与NNAT基因的转录起始位点和外显子区域结合。CDYL中的H3K27me3水平降低。与对照组相比，CO与其他组蛋白修饰，相对保持不变。此外，CDYL的缺失对它们在整体水平上的表达，没有明显影响。这些结果表明，CDYL对NNAT的调节作用，与H3K27me3密切相关。

NNAT在CDYL缺陷的人CO中上调

CDYL对小鼠和人类模型皮层发育贡献的比较分析

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CDYL缺失后，团队在人和小鼠皮层中分别鉴定出1,432和260个DEGs。此外，两组之间只有24个DEGs重叠，其中许多参与大脑发育（例如，BCAN、DRD3、PENK、GRIN2A、SYPL2和LEF1）。GO富集分析进一步证实了，两组DEG对不同过程的参与。对于人类皮层发育，这些过程主要集中在突触可塑性和大脑发育上，而在小鼠中，它们表现出更广泛的范围，包括膜电位和代谢途径的调节等。此外，NNAT表达的改变是人类皮层独有的。

团队的分析揭示了人类CO中13,727个与CDYL结合的DNA，其中2,733个与小鼠胚胎皮层重叠。CDYL的染色体分布和高概率的DNA结合基序的预测，也表现出明显的差异。人类特有的目标与前脑发育和模式规范的过程相关。然而，小鼠特异性DNA靶标在中间丝组织和钠离子稳态中富集。其中许多基因参与模式规范过程（GO：0007389），包括腹侧和前后模式化。这些基因表达水平的改变，以及NNAT的异常，导致皮质发育异常。与小鼠相比，人类的CDYL靶基因与影响皮层发育的更广泛的信号通路有关。这些发现表明，CDYL在小鼠和人类的背景下具有不同的功能。

CDYL对小鼠和人类模型皮层发育贡献的比较分析

结论

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团队全面研究了CDYL在人类皮层发育中的作用，揭示了CDYL的靶点并确定了相关的下游信号通路，所有这些都在脑类器官模型中。这项研究为发育中的人类皮层中NSCs命运决定的机制，提供了重要的见解。

参考资料：

1.Caron, C. ∙ Pivot-Pajot, C. ∙ van Grunsven, L.A. ...

Cdyl: a new transcriptional co-repressor

EMBO Rep. 2003; 4:877-882

2.Mulligan, P. ∙ Westbrook, T.F. ∙ Ottinger, M. ...

CDYL bridges REST and histone methyltransferases for gene repression and suppression of cellular transformation

Mol. Cell. 2008; 32:718-726

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