特定基因中神经细胞祖先的DNA断裂聚集

波士顿儿童医院，哈佛医学院和霍华德的蜂窝和分子医学项目(PCMM)的研究人员发现脑细胞发育的基因组包含27个簇或热点，其DNA在某些地方比其他地方更容易破裂。休斯医学研究所在Cell杂志上发表报道。这些热点出现在与脑肿瘤和许多神经发育和神经精神疾病相关的基因中，引发了关于这些疾病起源的新问题，以及大脑在发育过程中如何产生多样化的电路。

该研究的起源可以追溯到30多年前，PCMM主任和研究高级作者Frederick Alt博士及其同事首次开始研究肿瘤，癌基因，DNA断裂和DNA修复之间的联系，尤其是免疫和神经细胞。在几项研究过程中，Alt实验室发现缺乏一种特殊DNA修复途径的神经细胞称为非同源末端连接(NHEJ) - 它不能修复DNA链中的断裂 - 在发育早期死亡或引起脑肿瘤称为成神经管细胞瘤。

然而，他们和其他实验室一直在努力理解为什么失去这条途径会产生如此巨大的影响。

“我们已经考虑了很多关于DNA断裂的事情，”Alt说，他也是哈佛医学院(HMS)遗传学教授和Charles A. Janeway儿科学教授，“多年来很多人都考虑过这种可能性。” DNA断裂对于产生神经发育的多样性非常重要。但没有人能够识别神经细胞中的断裂，这会导致在没有NHEJ的情况下几乎完全阻断神经系统发育。“

近年来，Alt的实验室设计了一种方法，用于以非常精细的分辨率绘制整个基因组中全局DNA断裂的方法，称为高通量全基因组易位测序(HTGTS)。最初开发用于了解基因如何在癌症中重新洗牌或转移，Alt实验室还使用HTGTS来测量CRISPR基因编辑的精确度，并探测基因组如何“沙盒化”DNA剪切酶以防止它们在不应该切割基因的地方切割基因。

在目前的研究中，Alt; 实验室成员Pei-Chi Wei，博士，Amelia Chang，Bjoern Schwer，医学博士，博士; 他们的同事利用HTGTS和信息学在复制应激条件下搜索和绘制小鼠神经干细胞和祖细胞(NSPCs，产生大脑神经元，星形胶质细胞和少突胶质细胞的细胞)中的DNA断裂模式。

实验揭示了27个明显的，反复出现的热点，其中NSPCs的基因组频繁破裂。引人注目的是，这27个突破热点都散布在27个个体基因的身体上。这些基因共有许多共同特征：

所有都是长的，大多数超过100千碱基，具有多个外显子(编码区段)和长内含子(非编码区段)。

大多数是晚期复制者; 也就是说，它们在细胞分裂过程的后期被复制。

它们编码在神经元表面发现的蛋白质，这些蛋白质主要执行帮助神经元通信的功能(例如，突触形成，细胞 - 细胞粘附)。

27个基因中的24个与肿瘤抑制和/或神经系统疾病如自闭症谱系障碍，精神分裂症和双相情感障碍有关。

“在我们的梦中，我们无法找到一套基因来更好地符合在神经细胞中破坏DNA很重要的假设，”Alt惊呼道。

团队确定的断裂最常出现在基因的内含子中，导致团队推测热点可能有一个明确的目的：帮助大脑产生多样化的电路库。“由于断裂主要发生在外显子之间，因此在某些情况下，它们可能会导致一个或两个外显子被删除，并可能使基因产生不同的蛋白质，”Alt解释说。

通过以不同方式拼接基因的外显子，基因组可以产生基因编码的蛋白质的几种变体。从NPSC发展而来的神经元然后可以将自身连接成独特的神经回路。“由我们鉴定的一种基因编码的蛋白质，neurexin，可能有1000多种不同的形式，其中一些可能在不同强度的神经元之间建立联系，”Alt的实验室博士后研究员Wei说。“我们发现可以提供一种机制，使突触连接多样化，并使神经元之间的接触不同。”

“在神经发育期间，你会从相对有限数量的NSPC中产生一个拥有大约1000亿个神经元的整个大脑，”Schwer补充道，他也是HMS儿科助理教授。“在这种情况下，复发DNA断裂是否有潜在的优势?它可能是一种对电路和突触的不同组合进行采样的方法，几乎​​就像微型进化一样。“我们不确定是否是这种情况，”他继续道，“但我们现在表明，在神经发育过程中发生的这些复制应激相关断裂可能是一种有助于神经细胞感知多样性的方法。在成熟的大脑中。“

该团队还根据他们的发现推测，神经发育过程中复制应激相关的DNA损伤可能通过影响这些基因，促进神经发育或神经精神疾病。“实际上所有这些基因都与具有神经发育成分的疾病有关，”Schwer说。“可能是当你无法有效修复基因内的断裂时，它可能使个体易患神经发育疾病。”