背景

胎儿大脑发育对环境的影响非常敏感。胎脑中的转录程序调节复杂且重叠的发育过程，最终影响成人大脑的功能结构。因此，子宫内环境的扰动可对神经发育产生深远而持久的影响。流行病学数据表明，妊娠期间显著的母体感染与后代患神经发育和神经精神疾病的风险增加有关。然而，我们对不良环境暴露对胎儿大脑发育负面影响的分子机制的理解仍然有限。

简介

2020年12月23日，来自美国哈佛医学院布拉瓦尼克研究所免疫学系的Jun R. Huh教授及其团队在Nat Neurosci (IF: 20.071)杂志上发表名为Maternal immune activation in mice disrupts proteostasis in the fetal brain的研究[1]。本研究提供了子宫内ISR异常激活对MIA相关神经发育状况的意义的新见解，并拓宽了人们对子宫内应激影响神经发育的机制的理解。

主要结果

暴露于母体炎症的胎脑单细胞RNA测序

胎儿皮层的发育需要基因表达和mRNA翻译在时间和空间上的精确协调。为了了解MIA对发育中胎脑的细胞类型的特异性影响，我们采用高通量单细胞RNA测序 (scRNA-seq)来分析MIA或假盐水对照治疗 (PBS)情况下，胚胎第14.5天和第18.5天 (E14.5和E18.5)男性和女性胎儿的胎皮层中的基因表达 (图1a)。选择这些时间点是为了调查在E12.5进行poly给药后胎脑成熟的关键期。经过质量和双重过滤，我们分析了E14.5的37377个细胞和E18.5的57953个细胞的转录组，每个细胞分别回收了平均3529个和2168个唯一转录物。

使用标准的基于图的聚类方法将E14.5和E18.5样本分别分类为22和24种转录上不同的细胞类型，这些细胞类型基于典型标记基因表达被分配其身份 (图1b，c)。该分析解析了皮质中的发育、解剖和功能性细胞状态，包括增殖性神经前体、游走性放射状胶质细胞以及中间和成熟神经元亚型。此外，主要细胞类别的进一步聚类有助于揭示额外的发育和功能细胞亚型的异质性。

图1. 在Mia设置下，胎脑E14.5和E18.5的单细胞测序

男性MIA后代中ISR的激活

为了解释MIA男性胎脑中新生蛋白合成的显著性减少，假设对MIA反应的胎脑翻译的改变可能是由于ISR的激活。ISR是一种适应性机制，可在生理或病理条件下被激活，以执行蛋白质合成的全面减少，从而将资源转移到细胞存活。eIF2α在丝氨酸51位的磷酸化是ISR23激活的关键调控中枢 (图3b)。通过eIF2α磷酸化特异性抗体探查，我们发现在男性MIA后代的大脑中特异性地强烈诱导eIF2α磷酸化 (图3c)。相比之下，我们没有观察到核糖体蛋白S6激酶 (S6K)磷酸化水平的变化，这是独特的翻译控制点。

图3. Mia通过iSR抑制胎脑蛋白翻译

MIA改变了胎儿大脑的翻译景观

ISR的激活分两个阶段重构了整体的mRNA翻译。首先，细胞应激诱导eIF2α磷酸化，通过抑制cap依赖性翻译短暂减弱蛋白质合成。细胞应激消除后，使eIF2α去磷酸化的磷酸酶调节亚单位GADD34的表达增加，促进了应激适应性转录物cap的独立翻译，同时也反馈促进了eIF2α的去磷酸化。通过cap独立翻译的机制促进细胞存活所必需的应激适应性转录物，包括内部核糖体进入位点 (IRES)和替代启动机制。

我们试图在密码子水平分辨率的动态过程中测量与MIA相关的变化。因此，我们在E18.5对同一生物样本的bulk RNA-seq平行地对核糖体保护的mRNA片段 (核糖-seq)进行了深度测序 (图4a)。使用既定方法从核糖体保护的mRNA片段制备的DNA文库被测序至每份样品约8000万次读取的深度，并显示出指示高质量核糖体分析的预期周期性 (图4b)。我们根据转录物类型和ORF位置对翻译的开放阅读框 (ORF)进行了表征，包括典型ORF、5个非翻译区 (uORFs)中的上游ORF、3个非翻译区 (dORFs)中的下游ORF以及使用核糖ORF31注释的非编码ORF (ncORFs) (图4c)。尽管一些研究表明急性ISR会增加uORFs的使用，但我们未观察到任何ORF类别的实验组之间的表达分布存在具有统计学差异。uORF利用率的此类变化可能发生在选定的E18.5时间点之前。相对于性别匹配的PBS对照，我们在MIA男性和女性中鉴定出转录、翻译或两者均有显著性变化的转录物 (图4d-f)。

图4. Mia胎脑平移景观的改变

结论及展望

在本研究中，我们探讨了子宫内炎症形成早期神经发育的机制。我们分析了MIA的转录和翻译特征，并确定了受子宫内炎症干扰的关键通路。蛋白质稳态调节失调先前被认为与多种认知和神经发育障碍有关，蛋白质合成和分解之间的协调在神经回路发育和突触可塑性的调节中起着关键作用。在本研究中，我们表明MIA对细胞类型特异性转录产生宫内性二态效应，伴有翻译相关基因的破坏。这些结果与在老化脑中观察到的细胞类型特异性跨描述变化有显著相似性，包括核糖体-生物发生相关基因的变化。我们的结果也支持了早期的发现，即母体脂多糖暴露导致胎脑中翻译起始因子表达改变。因此，蛋白酶抑制的破坏可能是神经发育疾病和神经退行性疾病的共同通路。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41593-020-00762-9

参考文献

1.Kalish Brian T,Kim Eunha,Finander Benjamin et al. Maternal immune activation in mice disrupts proteostasis in the fetal brain.[J] .Nat Neurosci, 2020, undefined: undefined.