脑白质发育和髓鞘形成异常是部分神经发育障碍（neurodevelopmental disorders，NDDs）的重要病理特征。组蛋白修饰因子MSL2是MSL复合体的核心成员，参与染色质状态与基因表达调控。既往研究已将MSL2变异与神经发育障碍联系起来，部分受累个体还伴有白质影像学异常，然而这些变异的致病机制尚不清楚。
近日，空军军医大学武胜昔、赵湘辉团队联合中南大学郭辉团队，携手瑞士、澳大利亚多家临床与科研单位，在期刊Experimental & Molecular Medicine（IF=17.5）发表题为MSL2 orchestrates oligodendrocyte precursor cell cycle via H3K4me3 to prevent white matter defects in neurodevelopmental disorders的研究。该研究构建条件性敲除小鼠，整合转录组、表观组学（ChIP-seq+CUT&Tag）等技术发现MSL2是少突胶质细胞谱系发育的关键表观遗传调控因子，它通过维持少突胶质细胞前体细胞（OPC）中细胞周期、纺锤体装配和髓鞘相关基因启动子的H3K4me3水平，保证OPC正常增殖和成熟；MSL2功能缺失则导致白质发育异常，并进一步发现与神经发育障碍相关的行为表型。爱基百客为该研究提供ChIP-seq和CUT&Tag的技术支持。
研究思路
研究结果
1. MSL2致病变异与NDD患者白质异常相关
研究报道了3名携带MSL2致病变异的患者，均表现为神经发育异常，并有MRI白质异常（严重程度不一）。然后，研究对患者的永生化淋巴系进行实验检测，以评估MSL2变异的功能影响。Western blot和免疫荧光染色结果显示MSL2蛋白显著下降，H4K16ac、H3K4me3呈下降趋势，H2BK120ub变化不稳定、个体差异较大。这些结果表明MSL2功能受损会导致MSL2调控的H4K16ac和H3K4me3水平降低。
图1：携带致病性MSL2基因变异个体的脑白质异常。
2. Msl2缺失损害少突胶质细胞发育和髓鞘形成
研究检测了出生后第7天（P7）小鼠不同脑区的Msl2表达，发现胼胝体和视神经等白质区域的表达水平明显高于皮层灰质。进一步比较不同发育阶段发现，胼胝体中Msl2的mRNA水平在P7高于P14和P21；少突胶质细胞谱系细胞中，MSL2蛋白信号则在P10达到最高，随后于P14明显下降。这些结果表明MSL2参与了活性髓鞘形成过程。
图2：MSL2在OPC细胞分化过程中的阶段依赖性表达模式。
研究成功构建少突胶质细胞谱系特异性的Msl2条件性敲除小鼠模型Msl2 cKO，为探究MSL2对脑内少突胶质细胞（OL）发育的影响，研究检测了突变体脑组织中OL谱系细胞的数量及成熟OL细胞的百分比。小鼠新生阶段（P1）OPC（少突胶质细胞前体细胞）数量相当，但是在P7-P50期间，在胼胝体（白质）及皮层（灰质）中SOX10+ OL谱系细胞数量显著下降；P7-7月龄阶段，CC1+成熟少突胶质细胞的百分比及髓鞘蛋白水平也显著下降。电镜结果揭示有髓鞘轴突的数量显著减少，更高的g-ratio及更薄的髓鞘结构。
图3：MSL2是OPC细胞分化及髓鞘形成所必需的。
在P6小鼠脑切片中做TUNEL染色，KO组和对照组的凋亡细胞数量没有差异。在P7小鼠中进行EdU掺入检测发现，Msl2缺失后增殖性OPC细胞数量减少。此外，在对照组小鼠中，大多数吸收了EdU的OPC在P9时发育成了新生成的MBP+少突胶质细胞；而在Msl2 cKO小鼠中，同时带有EdU和MBP标记的双阳性细胞明显更少，这表明MSL2缺失后OPC的分化能力受到了损害。从对照和Msl2 cKO幼鼠新生期皮层中分离的原代OPC用T3诱导分化，2天后cKO来源的细胞中变成CNPase+（新生OL）和MBP+（成熟OL）的比例都比对照组低，Msl2缺失的OPCs表现出内在分化能力下降。
此外，构建NG2-CreER（Msl2 iKO）小鼠，然后P8、P10给予4-OHT，在分化起始阶段删除Msl2。在P8这个时间点掺入EdU检测增殖活性，结果表明敲除Msl2，主要影响OL细胞分化，而非其增殖或细胞周期进程。P14和P27少突谱系细胞总密度基本不变，成熟少突胶质细胞比例下降及MBP信号强度也降低。这些结果表明MSL2对于正常的细胞分裂及OPC分化的启动均至关重要。
图4：MSL2在OPC细胞分化中的细胞自主性作用。
3. 少突胶质细胞谱系特异性Msl2缺失导致与NDD相关的行为异常
对小鼠进行社会性行为分析，三箱社交实验、常驻鼠-入侵鼠实验表明突变体存在社交偏好及社交新异度识别方面存在缺陷。自我理毛测试显示，该突变体表现出重复性行为。旷场实验、高架十字迷宫实验、悬尾实验、蔗糖偏好实验表明敲除表现出更高的焦虑。最后的新异物体识别测试显示对照和突变小鼠在识别上没有显著差异。综上研究结果表明：在OL细胞中敲除Msl2后，小鼠会出现社交互动退缩、重复性行为以及焦虑-抑郁情绪，但其认知能力仍保持正常。
图5:OL细胞中Msl2的缺失会导致小鼠出现社交退缩及焦虑-抑郁行为。
4. Msl2敲除干扰了OPCs中有丝分裂纺锤体的形成。
RNA-seq结果显示在Msl2 cKO小鼠组的OPC中，有1,166个基因上调，327个基因下调。GO分析显示下调富集于细胞周期、细胞分裂、分化及髓鞘形成相关的term。qRT-PCR检测证实，在Msl2基因敲除后，参与细胞分裂、有丝分裂纺锤体及髓鞘形成的若干代表性基因的表达均下调。
有丝分裂阻滞与纺锤体组装检查点分析显示Msl2缺失的OPC细胞难以进入中期，且中期纺锤体形态异常，表现为染色体压缩松散、三极或多极纺锤体等。这些缺陷可能导致有丝分裂期延长，进而致使Msl2 cKO脑组织中OL系细胞数量减少。
上调基因富集于炎症反应、先天免疫反应及细胞因子活性等基因term；在这些基因中，若干趋化因子与细胞因子（如Cxcl1、Cxcl2、Ccl4及Ccl20）在Msl2基因敲除的OPC中呈现更高表达水平。这一观察结果表明，MSL2的缺失可能赋予OPC免疫调节特性，从而使其在突变小鼠体内主动调控免疫炎症反应。
图6: Msl2基因敲除会改变OPC的转录组谱，并损害纺锤体形成。
5. MSL2介导的组蛋白甲基化对于OPCs的正常发育至关重要
研究先是检测了OPC细胞中的H2BK120ub、H3K4me3和H4K16ac的全局水平，结果显示Msl2敲除后，H2BK120ub、H3K4me3和H4K16ac这三种修饰的水平呈现不同程度的下降。然后，研究分别进行了H3K4me3 ChIP-seq、H4K16ac和H2BK120ubCUT&Tag实验，用于解析Msl2敲除后这三种修饰的全基因组图谱。
Msl2缺失导致H3K4me3 TSS附近区域信号显著降低，GO分析显示在Msl2 cKO OPCs中，与髓鞘形成及OL分化相关的基因term均消失；表观遗传修饰、细胞增殖和有丝分裂G2/M期转换的基因term在下调基因中显著富集。ChIP-seq和RNA-seq联合分析显示35.78%的下调基因伴随着H3K4me3修饰水平的下降。而在H4K16ac和H2BK120ub结果中发现它们的修饰水平轻度下降，与RNA-seq的联合分析也发现，下调基因中伴随着表达水平下降的基因很少，这些意味着H3K4me3是MSL2调控OPC基因表达的主要因素。
研究通过Co-IP MS发现了MSL2互作蛋白ASH2L与RBBP5（H3K4甲基转移酶复合体核心亚基），此外一种OL细胞谱系特异性转录因子SOX10被发现可作为MSL2的结合伴侣，这表明SOX10在OL细胞中作为引导蛋白，引导MSL复合体靶向其靶基因。
图7: MSL2介导的组蛋白甲基化对于OPC的正常发育至关重要。
总 结
该研究报告了患有神经发育障碍并携带新型MSL2致病变异的患者，这些患者在磁共振成像上均显示白质异常。利用少突胶质细胞特异性Msl2敲除模型，研究确定了MSL2在少突胶质细胞发育中的关键作用。在少突胶质细胞谱系中缺失Msl2的小鼠出现社交互动缺陷、焦虑和抑郁，这些行为表型与神经发育障碍相关。此外，Msl2缺失改变了少突胶质前体细胞的转录组谱，并导致H3K4me3修饰在全基因组范围内发生改变，其靶基因与细胞周期调控、有丝分裂纺锤体形成和少突胶质细胞分化相关。
*本文基于已发表的科学研究进行文献科普解读，不构成任何医疗建议。*