2025年09月15日下午，受北大-清华生命科学联合中心PI饶毅和宋艳邀请，美国加州大学圣地亚哥分校、拉迪儿童基因组医学研究所所长Joseph Gleeson教授在北京大学生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为“Genetic Basis of Pediatric Brain Disease: From Molecular Cause to Cell Lineage”的精彩学术报告。
Joseph Gleeson实验室的核心创新在于将体细胞嵌合突变（somatic mosaicism）应用于人类神经发育研究。通过利用体细胞镶嵌突变的天然“条形码”功能，研究者得以追踪细胞在胚胎发育中的克隆动态与谱系关系，从而突破传统动物模型无法完全模拟人类发育的局限。
以这项技术为核心，Gleeson教授在报告中主要分享了几项研究成果：在脑皮质中，新皮层祖细胞的后代在早期沿中线被分隔到左右半球，这种空间限制为神经元类型形成和局部结构提供了基础；抑制性神经元谱系分析中，部分DLX1阳性抑制性神经元与兴奋性神经元共享背侧祖细胞谱系，表明并非所有抑制性神经元都来源于腹侧神经节隆起；在脊柱裂研究中，新生突变和特定染色体片段缺失（如22q11.2）显著增加疾病风险，而遗传易感性与母体环境因素如叶酸摄入存在重要交互作用，为理解神经管缺陷的发生机制提供了依据；在躯干神经嵴谱系研究中，祖细胞在脱离神经管前已完成命运预设，每个祖细胞早期决定只能分化为感觉或交感神经节，挑战了传统多能模型。
这些研究成果系统揭示了人类脑与外周神经系统的发育规律及疾病机制，为复杂神经结构形成与先天性疾病研究提供了新视角。值得强调的是，这些成果均来源于珍贵的人类样本，能够直接反映人类自身的发育特性，这在神经科学研究中是极其难得的，为未来理解复杂神经结构形成和先天性疾病提供了独一无二的参考。
一、局灶性脑皮质发育不良（FCD）：合子后体细胞镶嵌突变
作为神经发育领域常见的脑部结构缺陷疾病，局灶性脑皮质发育不良（FCD）是药物难治性癫痫的首要病因之一，其核心病理特征表现为皮质层结构紊乱、神经元形态异常及局部细胞增殖失控，而合子后体细胞镶嵌突变正是驱动该疾病发生的核心机制。Gleeson实验室围绕这一关键科学问题，开展了系统性的临床样本分析与机制验证研究，为FCD的遗传病因解析与临床干预提供了全面证据。
在临床样本研究中，团队对283例接受脑切除术的FCD患者脑组织进行深度遗传图谱绘制——考虑到FCD相关体细胞突变常以低等位基因频率存在于病变组织中，且可能与长期癫痫治疗药物干扰检测结果，研究人员通过对体细胞突变的密集分析与全外显子组和靶向扩增子测序，及对小鼠子宫电穿孔功能验证与单核RNA测序相结合，鉴定了69个突变基因（图一）。基因型-表型相关性分析阐明了与不同病理生理学和临床表型相关的特定皮质发育畸形基因集。突变基因在对照组和患者大脑中特定单细胞水平的时空表达模式表明，在大脑发育过程中突变基因在兴奋性神经源池中起关键作用，并在出生后促进神经元的过度兴奋。
图一 皮质发育畸形研究流程1
二、新皮质发育的克隆分布：体细胞嵌合体揭示的人类特异性模式
人类新皮层的结构是我们物种特有认知能力的基础，它源自高度复杂的发育程序。然而，直接追踪人类胚胎时期的发育过程几乎不可能。那么，成年大脑中是否还保留着早期发育的“记录”？基于 FCD 研究中对体细胞镶嵌突变与脑发育关系的探索，Gleeson 实验室进一步利用体细胞嵌合突变（somatic mosaicism） 作为“天然的谱系追踪标记”。在胚胎早期，神经前体细胞在分裂时偶尔会积累突变，这些突变会稳定传递给其子代细胞。通过在成年脑组织中检测这些突变，研究者就能“逆向推理”出细胞在早期发育中的克隆分布情况。
研究团队在一位神经系统正常的死者大脑皮层25个解剖区域进行了深度全基因组测序，并在其他供体中验证，最终鉴定出 259 个高置信度的嵌合突变。通过这些变异的分布，研究者重建了皮层发育过程中的克隆结构。结果发现，新皮层的克隆在早期发育过程中优先沿中线（midline）发生分隔（图二）。也就是说，当皮层祖细胞增殖到约 90–200 个时，它们的后代在空间上已经被限制在大脑的左半球或右半球。这种中线分隔早于前后（AP）和背腹（DV）轴的模式化建立，代表了新皮层发育中的一个次级层级。
这一结果意味着，中线不仅是成年大脑解剖学上的分界线，更是早期发育中祖细胞克隆分布的核心参考轴。通过利用体细胞突变的“自然标记”，研究首次在人体中揭示了这一隐藏的发育规律。
图二 皮层来源细胞类型在早期发育过程中沿中线分离2
三、人类皮层抑制性神经元的新认识：部分源自背侧祖细胞
在小鼠模型中，皮层抑制性神经元（interneuron）主要起源于腹侧的神经节隆起（ganglionic eminence, GE），随后经历切向迁移（tangential migration）到新皮层中，并在不同层级和回路中发挥抑制性功能。这一经典观点在大量小鼠发育神经生物学研究中得到了系统验证。然而，人类大脑的发育具有更复杂的特性，尤其是在皮层神经元类型和数量上远超啮齿类动物，导致人类抑制性神经元的具体来源和谱系关系尚不完全明确。现有的人类样本研究总体延续了小鼠模型的认识，即腹侧GE被认为是抑制性神经元的主要起源，但由于样本获取受限以及早期胚胎发育阶段难以直接追踪，仍存在许多未解之谜。
为了探索这一问题，Gleeson实验室继续利用体细胞镶嵌突变反向追踪克隆发育的策略，将其应用于成年人类大脑的分析中。通过对不同神经元类型的单细胞基因组与转录组联合分析，研究团队发现，一部分DLX1阳性的抑制性神经元与新皮层兴奋性神经元共享同一背侧祖细胞（dorsal progenitor）的谱系。这意味着，这类抑制性神经元并非完全来源于腹侧GE，而是在皮层发育早期就已经与兴奋性神经元一同从背侧祖细胞中分化，并沿径向（radial）方向散布到皮层不同层级。
总体来看，这项工作不仅挑战了“所有皮层抑制性神经元来源于腹侧GE”的传统观点，也提供了人类大脑皮层复杂细胞谱系的新线索。体细胞镶嵌突变作为天然的克隆标记，成为揭示人类脑发育中细胞谱系关系的强大工具，为理解皮层发育异常及相关神经疾病提供潜在机制依据。
图三 抑制性神经元部分起源于背侧祖细胞3
四、脊柱裂（Meningomyelocele）的遗传机制：新生突变的关键作用
脊柱裂（meningomyelocele, MM）是神经管缺陷（neural tube defects）中最严重、最常见的一类，每 10000 例活产婴儿中约有 3 例，其核心病理是神经管在胚胎早期未能正常闭合。这种疾病表现为脊柱开放，腰骶部区域的神经组织暴露，不仅会导致神经运动障碍，还常伴随脑积水。虽然多国推广叶酸强化饮食使MM的发生率显著下降，但这一策略并非对所有人都有效，一些药物、疾病以及遗传易感性仍会显著增加风险。
为了系统解析MM的遗传基础，Gleeson实验室发起了跨国脊柱裂测序联盟（Spina Bifida Sequencing Consortium, SBSC），招募了806组MM家庭以及732组对照家庭，涵盖美国、墨西哥、加拿大、意大利、埃及等多个地区。研究团队对这些家庭进行了全基因组测序、外显子组测序（共 4614 个外显子）结合 SNP 芯片等技术手段，分析新生突变（de novo）和遗传突变（inherited），包括单核苷酸变异、小的插入/缺失以及结构变异，并进行统计分析，同时还关注了出生年份、叶酸服用史等信息。结果显示，MM患者体内有害的新生突变负担显著增加。约25%至50%的有害突变被估计会增加MM患病风险，说明这些突变在疾病发生中起到关键作用（图四）。这些突变大多是非复发性（non-recurrent），即在不同患者中不会重复出现，但这些基因的功能高度相关，定义了若干关键的信号通路网络。通过功能验证，研究发现这些突变会导致部分或完全的基因功能丧失，干扰信号传导，并在爪蟾胚胎实验中出现神经管闭合缺陷，进一步证明其在MM发生中的关键作用。
图四 有害新生突变在脊柱裂（MM）患者中显著富集4
此外，研究还揭示了特定染色体片段缺失对疾病风险的显著影响。约1%至2%的MM患者携带新生或遗传性的22q11.2缺失，这一比例比随机预期高出约20倍，显示该染色体片段缺失是MM的重要风险因素5。在小鼠模型中，该基因组片段内神经管表达基因Crkl的缺失即可复现神经管缺陷的表型，而母体叶酸限制会进一步加剧缺陷严重度。分子层面上，Crkl缺失会影响神经管中关键信号分子的分布和活化，例如磷酸化ERK（pERK）和c-Abl蛋白的定位异常，进一步干扰细胞极性、迁移和增殖过程。这一发现提示遗传易感性和环境因素之间存在重要交互作用。
总体而言，这项研究明确了新生突变在MM发生中的核心作用，并系统描绘了与神经管闭合相关的关键基因网络和信号通路。结果不仅为理解复杂人类先天性结构缺陷提供了机制基础，也强调了精准遗传筛查与早期干预在MM防控中的潜在价值，为未来开发靶向治疗策略提供了重要参考。
五、神经嵴细胞的身份预设：挑战传统多能模型
躯干神经嵴（trunk neural crest, NC）是多能干细胞群，可分化为外周神经系统的多种细胞类型。长期以来的观点认为，NC细胞在脱离神经管后仍然是多能细胞（multipotent NC cells），其命运在迁移过程中逐渐受微环境信号调控，最终分化为不同类型细胞。感觉神经节（dorsal root ganglia, DRG）和交感神经节（sympathetic ganglia, SG）
然而Gleeson实验室最新的一项研究通过体细胞镶嵌突变追踪成人神经节克隆，提出了一种替代模型（fate-restricted NC cells）：神经嵴细胞在脱离神经管之前，其身份命运已经被预设（pre-specified），每个祖细胞早期就决定只能发育为感觉神经节（dorsal root ganglia, DRG）或交感神经节（sympathetic ganglia, SG）。换句话说，谱系选择发生在迁移前，而不是在微环境作用下后天决定。同时，祖细胞沿头尾轴（rostrocaudal axis）大范围扩散，并在左右两侧神经节中稳定存在，这种分布不受中线约束（no midline restriction）。
这一发现对传统多能模型提出了重要挑战。以往认为NC细胞在迁移后才逐步分化为特定神经节或胶质细胞，而新模型显示，命运在迁移前就已锁定，左右侧扩散和细胞类型贡献是预先设定的自然结果，而非依赖外部信号诱导。身份预设成为理解外周神经系统发育、克隆动态及相关疾病发生机制的核心概念，为未来研究神经嵴相关疾病和再生提供了重要依据。
图五 躯干神经嵴细胞发育：多能模型 vs. 命运预设模型
