Science Translational Medicine：神经发育中的脂质重塑，揭示神经发育障碍疾病相关分子机制

鼠脑和人神经元培养物的脂质组分析揭示了Mboat7在mTOR依赖性神经元迁移中的作用

2025年1月，Rady儿童基因组医学研究所、加利福尼亚大学和Scripps研究所等单位的研究人员在《Science Translational Medicine》（IF: 15.8）上发表了题为“Lipidomic profiling of mouse brain and human neuron cultures reveals a role for Mboat7 in mTOR-dependent neuronal migration”的研究论文，揭示了与隐性MBOAT7神经发育、自闭症和癫痫疾病相关的分子机制，展示了神经发育过程中小鼠和人类神经组织中PI甘油脂质组的高度动态调节。

亮点概述：

多不饱和脂质的积累是神经发生的一种自然特性。
确定了MBOAT7和脑脂质组在皮质发育中的作用。

研究背景：

脑脂质占脑重量的一半，通常分为脂肪酸、甘油酯、甾醇、鞘脂和磷脂。超过70%的哺乳动物磷脂酰肌醇（PI）由多不饱和花生四烯酸(AA; 20:4)组成，调节磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/Akt激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）和G蛋白偶联受体信号传导。脂质调节基因的突变是自闭症谱系障碍的常见原因，包括那些调节PI和PI3K信号传导的基因。膜结合O-酰基转移酶（MBOAT7）编码PI合成中的关键酰基转移酶，并在由神经发育迟缓和癫痫导致的自闭症相关疾病中会发生突变。皮层神经发生主要在小鼠的胚胎期第12.5天（E12.5）到出生之间，以及在人类妊娠后第10周左右（孕后天数（PCD）第70天），并在妊娠第20周（PCD 140）达到高峰。皮质发生受到多重信号级联的影响，包括mTOR，它有助于调节增殖、细胞存活、分化和迁移。尽管自闭症和癫痫等神经发育障碍的遗传基础已经取得了快速进展，但潜在的机制和疗法仍然缺乏。

通过免疫荧光染色和原位杂交实验，研究人员发现Mboat7在多个器官系统中表达，并且在小鼠胚胎期大脑中广泛表达；Mboat7基因敲除（KO）小鼠的大脑呈现出皮质发育不良，伴随mTOR信号传导增强；Mboat7 缺失所产生的影响很可能是神经祖细胞所特有的，这反驳了全身性代谢疾病这一观点。

为了研究Mboat7表型出现时的小鼠脂质组，研究人员使用液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)，对E12.5、E13.5、E14.5和E16.5的小鼠脑神经组织的溶血磷脂酰肌醇（LPI）、PI、甘油二酯（DAG）、甘油三酯（TAGs）以及单甘酯（MAGs）进行了分析。首先着重建立一个基线脂质组资源，并发现在神经发生过程中各类脂质的相对丰度是高度动态变化的。随着时间的变化，多不饱和的LPI、PI、DAG和MAGs增加，而饱和的LPI、PI、DAG和MAGs减少。与饱和脂质相比，多不饱TAG、以及多不饱和、单不饱和的PI、DAG和MAGs积累变化更为显著。

小鼠神经发生过程中动态的PI重塑

为了建立这一资源并与人类神经细胞比较，研究人员将人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生神经祖细胞（NPCs）分化为神经元和星形胶质细胞的混合培养物，每2周收集样本一次，共收集8周，并进行靶向脂质组检测。结果发现，同小鼠神经组织一致，这些细胞的脂质组在分化过程中展现出高度动态变化，不同时间点测量的脂质种类的相关性逐渐降低。LPI和PI的含量增加，DAG和TAGs的变化很大，而MAGs含量减少；在NPCs中，多不饱和和单不饱和PI的积累量明显少于饱和PI，而LPI、DAG、TAGs和MAGs的变化与小鼠脑神经组织相符。对比了在不同时间点的混合培养物和发育中的鼠脑所测脂质中AA的组成情况，发现虽然在鼠脑和混合培养物中大多数PI含有20:4 AA，但在混合细胞培养物中不到一半的DAG含有AA；在小鼠中，大多数DAG含有AA，并被传递到下游MAGs中。

多不饱和TAGs在人NPCs分化过程中积累

鉴于某些差异可能是由于体内外环境不同所致，接下来研究人员检测了PCDs85、101、117和130（对应中期妊娠）的人脑甘油脂质组。与源自NPCs的样本和小鼠神经组织相比，人脑组织含AA的LPI含量相近，但含AA的PI、DAG和MAGs的含量更高。相比培养的人类细胞，人类和小鼠的体内组织之间更加相似，尤其在多不饱和、单不饱和以及饱和脂质方面。与NPCs对比，体内组织中多不饱和MAGs的占比更高，且主要由2-花生四烯酰甘油（2-AG）组成。

为分析Mboat7缺失对大脑甘油脂质组的影响，研究人员检测了E13.5和P0时的LPI、PI、DAG、TAGs以及MAGs，发现杂合子（HET）小鼠和野生型（WT）小鼠的情况非常相似，而KO小鼠的脂质组发生改变。在KO小鼠中LPI显著积累，从E13.5到P0的差异增加了约2000%，PI和DAG仅减少了约20%；除了总PI浓度降低外，含AA的PI减少，而非AA的PI增加。从 E13.5 到 P0 阶段，LPI、PI和DAG的脂质重塑受到了干扰。与WT小鼠相比，KO小鼠中的单不饱和LPI和DAG减少，单不饱和PI增加，且所有测得的多不饱和脂质均减少。在KO小鼠中多不饱和TAG减少，饱和TAG增加，表明MBOAT7小鼠的重塑缺陷超出了PI和LPI的范围。这些结果表明Mboat7是整个多不饱和甘油脂质组的调节因子，不仅针对 PI。

在发育中的小鼠大脑中缺失Mboat7导致脂质组成改变和未能积累多不饱和TAGs

为研究MBOAT7缺陷对人神经元脂质组影响，研究人员将iPSCs分化为诱导神经元（iNeurons）并每周收集一次样本，共收集4周。与NPCs一样，研究人员发现iNeurons的甘油脂质组在分化过程中高度动态，不同时间点之间整个脂质谱的相关性降低；不同影响状态的脂质谱是不同的。相对未受影响的供体组，受影响供体组在WK2和WK3时LPI显著性增加；在WK1时LPI显著上升、TAGs显著下降；在WK1和WK3时总PI没有变化但不含AA的PI显著增加，单不饱和PI和多不饱和TAGs的比例增加；在WK0-3期间多不饱和PI增加较高（18:0/20:4 PI增加），同时多不饱和DAG和TAGs减少。研究人员也直接测量了小鼠组织和人类成纤维细胞中的AA浓度，但与MBOAT7基因型相比没有发现变化，这表明AA对MBOAT7表型没有贡献。