BAF(mSWI/SNF)復(fù)合物在神經(jīng)發(fā)育及大腦認(rèn)知中的作用

魏蓉蓉，徐馳通信作者

(中國(guó)藥科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床藥學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 引言

哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的發(fā)育和構(gòu)建，包括維持胚胎干細(xì)胞的多能性，神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖和分化，以及大腦皮層的構(gòu)建都需要精確的表觀遺傳編程，包括染色質(zhì)重塑介導(dǎo)的DNA和組蛋白乙?；?，甲基化，磷酸化等共價(jià)修飾，以及通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)相關(guān)基因的表達(dá)[1]。

ATP依賴的BAF復(fù)合物是由ATPase核心亞基和其他特定亞基組成的多聚體染色質(zhì)重塑蛋白復(fù)合物，也稱為SWI/SNF。BAF復(fù)合物通過(guò)利用ATP能量將異染色質(zhì)(致密的DNA區(qū)域)轉(zhuǎn)化為常染色質(zhì)(開(kāi)放的DNA區(qū)域)，從而保持對(duì)活躍轉(zhuǎn)錄基因的開(kāi)放[2]。在神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中，特定的BAF復(fù)合物(如胚胎干細(xì)胞BAF(esBAF)等)參與介導(dǎo)染色質(zhì)重塑，以募集相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子維持有序的基因表達(dá)模式[3]。此外，我們還將描述BAF復(fù)合物在成體神經(jīng)發(fā)生中的功能及其涉及認(rèn)知功能的相關(guān)機(jī)制。

1 BAF復(fù)合物及其在染色質(zhì)重塑中的作用

1984年，通過(guò)遺傳篩選發(fā)現(xiàn)了影響交配轉(zhuǎn)變和蔗糖生長(zhǎng)的酵母突變體，從而發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)染色質(zhì)重塑復(fù)合物亞基，也就是SWI/SNF[4]。打量研究表明哺乳動(dòng)物BAF(mSWI/SNF)是一種由20多個(gè)基因編碼的復(fù)合物，除了SWI/SNF直系同源亞基BRG1/BRM，BAF155/170，BAF60，BAF53a/b和BAF47外，BAF復(fù)合物還包含其他特殊裝配亞基，如BAF250a/b，BAF200，BRD7/9，BAF45a/b/c/d以及BAF57，CREST/SS18，Bcl11a/b/等[5]。并且，該復(fù)合物通過(guò)結(jié)合DNA和組蛋白結(jié)合來(lái)調(diào)控染色體核心單元核小體的結(jié)構(gòu)，組裝不同的亞基和核心ATPase介導(dǎo)特異組織的基因轉(zhuǎn)錄[6]。

2 BAF復(fù)合物在神經(jīng)發(fā)育和疾病中的作用

2.1 胚胎神經(jīng)發(fā)生

胚胎腦發(fā)育是是決定出生后和成體大腦發(fā)育的關(guān)鍵階段[7]。胚胎神經(jīng)發(fā)生的方式有兩種：直接神經(jīng)發(fā)生和間接神經(jīng)發(fā)生。早期的放射狀神經(jīng)膠質(zhì)樣細(xì)胞(直接分裂為神經(jīng)元，即直接神經(jīng)發(fā)生；而間接產(chǎn)生的神經(jīng)源性前體(中間祖細(xì)胞，IPs)在端腦中獲得神經(jīng)元命運(yùn)，然后進(jìn)入神經(jīng)源性細(xì)胞分裂模式，即間接神經(jīng)發(fā)生[8]。

在BAF亞基的特異性重組中，由三個(gè)關(guān)鍵亞基(BAF45a/d-BAF45b/c，BAF53a-BAF53b，BAF55a-BAF55b)的相互轉(zhuǎn)換，組成特異性npBAF和nBAF，調(diào)控神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)組織發(fā)育[9]。另外，在整個(gè)胚胎神經(jīng)發(fā)生過(guò)程中，BAF155和BAF170亞基與Pax6轉(zhuǎn)錄因子的競(jìng)爭(zhēng)性表達(dá)也很重要[2]。在新皮層形成的早期階段，含BAF170亞基的BAF復(fù)合物參與異染色質(zhì)的形成并抑制Pax6轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)基因(Tle1，Cux1，Tbr2)的表達(dá)，從而促進(jìn)直接神經(jīng)發(fā)生；之后，BAF155和BAF170競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)表達(dá)，BAF155表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)染色質(zhì)形成，激活Pax6相關(guān)基因表達(dá)，并最終促進(jìn)間接神經(jīng)發(fā)生[10]。

總之，在胚胎神經(jīng)發(fā)生過(guò)程中，直接神經(jīng)發(fā)生和間接神經(jīng)發(fā)生之間的平衡涉及npBAF和nBAF之間的轉(zhuǎn)化以及染色質(zhì)的重塑，通過(guò)組裝特定的BAF亞基來(lái)控制相關(guān)基因的表達(dá)，并精確調(diào)節(jié)皮質(zhì)發(fā)育以適應(yīng)生理需要。

2.2 膠質(zhì)發(fā)生

膠質(zhì)生成作為神經(jīng)發(fā)育的一部分已經(jīng)得到了廣泛的研究。膠質(zhì)發(fā)生是多能神經(jīng)干細(xì)胞(NSC)分化產(chǎn)生非神經(jīng)元角質(zhì)形成細(xì)胞(如星形膠質(zhì)細(xì)胞)的過(guò)程[11]。因此，多能神經(jīng)干細(xì)胞的命運(yùn)的調(diào)控對(duì)于神經(jīng)發(fā)育非常重要，涉及染色質(zhì)重塑復(fù)合體(如BAF復(fù)合物)和表觀遺傳程序的相關(guān)基因表達(dá)。

神經(jīng)干細(xì)胞在早期分化主要產(chǎn)生神經(jīng)元，但在后期則受到限制，并且神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的基因被表達(dá)，從而使神經(jīng)干細(xì)胞獲得神經(jīng)膠質(zhì)命運(yùn)[12]。BAF復(fù)合物對(duì)于出生后大腦中神經(jīng)原性細(xì)胞的發(fā)育和抑制神經(jīng)膠質(zhì)的命運(yùn)是必需的[1]，從表型上看，Cre病毒介導(dǎo)的BRG1基因敲除小鼠突變模型研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)干細(xì)胞難以維持并產(chǎn)生神經(jīng)元細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞[13]。此外，BAF復(fù)合物的BRG1和BAF170亞基的缺乏會(huì)導(dǎo)致早期膠質(zhì)發(fā)生缺陷，從而導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病[1]。研究表明，包含BRG1亞基的BAF復(fù)合物能與少突膠質(zhì)細(xì)胞譜系結(jié)合，調(diào)節(jié)標(biāo)志物基因轉(zhuǎn)錄因子Olig2的表達(dá)并調(diào)控少突膠質(zhì)細(xì)胞的產(chǎn)生以及分化和成熟過(guò)程[14]。

2.3 神經(jīng)元遷移和成熟

神經(jīng)元遷移是指神經(jīng)發(fā)生過(guò)程中未成熟的神經(jīng)元，其從指定位置遷移到不同形式的功能區(qū)。例如，在皮層的初始發(fā)育階段，在VZ和SVZ區(qū)域，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞引導(dǎo)未成熟的神經(jīng)元向外遷移并形成層壓的皮質(zhì)板[15]。研究表明，BAF亞基Bcl11a對(duì)于調(diào)節(jié)發(fā)育過(guò)程中皮質(zhì)錐體神經(jīng)元(PN)的徑向遷移必不可少[16]。體內(nèi)介導(dǎo)的Bcl11a缺失發(fā)現(xiàn)大多數(shù)PN異常皮層遷移，導(dǎo)致皮層異常增生，大腦半球連接性降低。此外，新遷移的radial神經(jīng)元在中部區(qū)域從多極狀態(tài)過(guò)渡到雙極狀態(tài)也需要Bcl11a表達(dá)和調(diào)控[16]。

除神經(jīng)元遷移外，BAF復(fù)合物還調(diào)控神經(jīng)元的特異性分化和成熟。脊髓神經(jīng)元中缺乏Bcl11a發(fā)現(xiàn)了中樞軸突的發(fā)育不全，這導(dǎo)致背神經(jīng)節(jié)(DRG)神經(jīng)元中的主要體感神經(jīng)元使背角神經(jīng)支配失靈，這表明Bcl11a對(duì)于脊髓神經(jīng)元的成熟和正常形態(tài)是必不可少的。此外，BAF155和BAF170亞基還調(diào)節(jié)嗅覺(jué)感覺(jué)系統(tǒng)中的軸突尋路和電路整合[17]。對(duì)果蠅的研究發(fā)現(xiàn)，BAF53a/b的缺失會(huì)導(dǎo)致樹(shù)突狀細(xì)胞靶向嗅覺(jué)投射神經(jīng)元疾病，并且BRM亞基，BAF60c和BAF47的缺失也會(huì)干擾與感覺(jué)神經(jīng)有關(guān)的樹(shù)突狀生長(zhǎng)；而皮質(zhì)神經(jīng)元中BAF53b的丟失導(dǎo)致活性依賴性樹(shù)突生成的損害，這證明BAF53b對(duì)于樹(shù)突生成非常重要[18]。

總之，在神經(jīng)元發(fā)育過(guò)程中，BAF復(fù)合物對(duì)于神經(jīng)元亞型的命運(yùn)，神經(jīng)元遷移和神經(jīng)元成熟(包括軸突成熟，路徑發(fā)現(xiàn)以及樹(shù)突生長(zhǎng)和細(xì)化)都具有重要的調(diào)控作用。

3 BAF復(fù)合物對(duì)成體大腦功能的影響

3.1 成體神經(jīng)發(fā)生

與胚胎神經(jīng)發(fā)生相比，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中，大多數(shù)區(qū)域的成體神經(jīng)發(fā)生減少。齒狀回(DG)上的顆粒下區(qū)(SGZ)和側(cè)腦室的腦室下區(qū)(SVZ)是成體神經(jīng)發(fā)生的主要區(qū)域[19]。

研究表明BAF復(fù)合物和轉(zhuǎn)錄因子Pax6共同參與調(diào)節(jié)的成體神經(jīng)發(fā)生對(duì)于認(rèn)知功能很重要[2]。從機(jī)理上講，包含BRG1ATPase核心亞基的BAF復(fù)合物可增強(qiáng)神經(jīng)源性分子Sox11，Nfib，Pou3f4等募集到Pax6基因的趨勢(shì)，并反饋調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)成體神經(jīng)發(fā)生[2]。另外，許多報(bào)道表明BAF170在海馬放射神經(jīng)膠質(zhì)神經(jīng)元和其他神經(jīng)源性細(xì)胞類型中表達(dá)，并且BAF170的缺乏引起神經(jīng)源性細(xì)胞向星形膠質(zhì)細(xì)胞的趨勢(shì)增加，這證明了BAF170在神經(jīng)發(fā)生中的必要性[20]。新生的齒狀回和海馬體的發(fā)育還取決于有絲分裂后顆粒神經(jīng)元中BAF復(fù)合物的特定亞基Bcl11b的表達(dá)，它反饋調(diào)節(jié)神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖和旁分泌作用[21]。介導(dǎo)體內(nèi)前腦Bcl11b表達(dá)缺失的研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)祖細(xì)胞減少，神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)元分化受到破壞，并且影響海馬發(fā)育標(biāo)志物成分，粒細(xì)胞神經(jīng)元增殖，分化和回路整合，表明BAF對(duì)于DG和相關(guān)海馬發(fā)育中的成體神經(jīng)發(fā)生具有復(fù)雜的重要性[17]。

3.2 BAF復(fù)合物在認(rèn)知中的復(fù)雜功能：學(xué)習(xí)與記憶

海馬是哺乳動(dòng)物大腦認(rèn)知能力的中心，包括學(xué)習(xí)和記憶調(diào)節(jié)，并受一系列表觀遺傳機(jī)制的調(diào)節(jié)，包括組蛋白共價(jià)修飾和染色質(zhì)重塑[22]。

我們已經(jīng)討論了BAF復(fù)合物對(duì)神經(jīng)發(fā)生的必要作用，并且當(dāng)發(fā)生神經(jīng)系統(tǒng)缺陷時(shí)，海馬結(jié)構(gòu)和DG畸形會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶功能障礙[21]。研究表明，帶有BAF170突變的小鼠遭受損害的適應(yīng)行為[20]；新生神經(jīng)元中的Calb1表達(dá)隨Bcl11b表達(dá)而降低，并伴有記憶形成和神經(jīng)行為障礙[23]。nBAF復(fù)合物的特異性BAF53b和CREST亞基也參與調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的認(rèn)知功能：從表型上看，BAF53雜合突變小鼠錯(cuò)誤地調(diào)節(jié)了與認(rèn)知功能有關(guān)的基因，從而導(dǎo)致神經(jīng)元和脊髓形態(tài)異常，以及嚴(yán)重的海馬突觸可塑性和記憶形成障礙[24]；而B(niǎo)AF復(fù)合物特異性CREST亞基突變引起小鼠學(xué)習(xí)能力的顯著下降，原因是CREST和下游CREB分子可協(xié)同激活c-fos基因等基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，并調(diào)節(jié)大腦(尤其是海馬體)的認(rèn)知行為和結(jié)構(gòu)可塑性。

簡(jiǎn)而言之，組裝BAF復(fù)合體的特定亞基通過(guò)介導(dǎo)染色質(zhì)重塑與其他表觀遺傳機(jī)制協(xié)同作用，它們的表達(dá)和調(diào)控對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，特別是中樞齒狀回海馬的學(xué)習(xí)和記憶在認(rèn)知功能中起重要作用。

4 展望

目前，關(guān)于BAF復(fù)合物調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及認(rèn)知的具體分子機(jī)制還不是十分明確。近年，大量全基因組測(cè)序的研究提示BAF能夠調(diào)控約20%的基因組，并且能夠與其他染色質(zhì)重塑復(fù)合物協(xié)同作用，共同調(diào)控基因的時(shí)空表達(dá)，在生物發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用[17]。此外，BAF亞基的突變常常導(dǎo)致重要的疾病發(fā)生，如腫瘤、神經(jīng)發(fā)育不全、自閉癥、精神分裂等[1]。未來(lái)，BAF復(fù)合物在疾病中的機(jī)制研究將成為一個(gè)重要的方向。