转座酶衍生基因PGBD5：哺乳动物大脑发育的关键调控因子

《SCIENCE ADVANCES》：A transposase-derived gene required for human brain development

本研究针对脊椎动物大脑发育中神经元死亡与DNA断裂的机制难题，揭示了源自转座酶的PGBD5基因通过诱导体细胞基因组重排调控大脑发育。研究人员通过人类遗传学与小鼠模型实验，发现PGBD5缺失会导致智力障碍、运动失调与癫痫，并证实其通过激活Xrcc5介导的DNA修复通路调控皮层神经元分化。该研究首次将转座酶衍生基因的功能与大脑发育直接关联，为神经发育障碍提供了新机制解释。

　　

大脑作为人体最复杂的器官，其发育过程中伴随大量神经元死亡与DNA断裂现象，但这些事件的具体成因与功能至今成谜。近年来研究表明，转座子可能参与体细胞基因组重组，然而其在神经系统发育中的作用仍不明确。在此背景下，研究者聚焦于脊椎动物中高度保守的转座酶衍生基因PGBD5（PiggyBac transposable element derived 5），探索其是否通过调控DNA重组参与大脑发育。

为解析PGBD5的生理功能，研究团队整合人类遗传学分析与小鼠模型实验。通过GeneMatcher平台筛选到5个近亲婚配家系共10例患者，发现其携带的PGBD5纯合突变（如c.49G>T p.E17*）与智力障碍、运动失调、癫痫等神经发育异常显著相关。MRI影像显示患者均存在胼胝体变薄与小脑萎缩等结构异常。同步构建的Pgbd5基因敲除（Pgbd5^-/-）小鼠重现了人类表型，表现为脑体积缩小、运动协调缺陷、焦虑行为减少及应激性癫痫发作。更重要的是，通过CRISPR技术构建的催化活性缺失突变小鼠（Pgbd5^D236A/ki）同样出现癫痫表型，证明PGBD5的DNA重组功能对其神经发育作用至关重要。

关键技术方法

研究采用全外显子测序鉴定患者突变；通过同源重组与CRISPR-Cas9技术构建基因敲除/敲入小鼠模型；利用单细胞核RNA与ATAC测序分析皮层神经元转录组与染色质开放性；采用γH2AX免疫荧光检测胚胎期神经元DNA断裂；通过全基因组测序分析体细胞基因组重排事件。

PGBD5缺失导致神经元DNA断裂修复缺陷

对胚胎期14.5天小鼠皮层分析发现，Pgbd5^-/-小鼠的分化后神经元（Tuj1⁺）中γH2AX焦点数量显著减少，提示PGBD5参与发育性DNA断裂诱导。与DNA修复因子Xrcc5（Ku80）的遗传互作实验进一步显示，Pgbd5^-/-;Xrcc5^-/-双敲除小鼠的神经元DNA损伤水平低于Xrcc5单敲除，表明PGBD5诱导的DNA断裂依赖Xrcc5介导的非同源末端连接修复通路。

PGBD5驱动大脑体细胞基因组重排

通过对成年小鼠不同脑区（小脑、海马、嗅球）的全基因组测序分析，发现野生型小鼠中存在跨个体、跨脑区重复出现的体细胞结构变异，而Pgbd5^-/-小鼠中此类事件显著减少。这些重排事件在胚胎期尚未出现，说明PGBD5的基因组重组功能在出生后神经系统成熟过程中持续发挥作用。

单细胞多组学揭示神经元特异性表达紊乱

单细胞核RNA与ATAC测序显示，Pgbd5缺失主要影响皮层谷氨酸能投射神经元（如皮层5簇IT神经元）与GABA能中间神经元（如Meis2簇）。差异表达基因富集于突触组装、离子通道调控等通路，从分子层面解释了癫痫等表型的潜在机制。

结论与意义

本研究首次证实转座酶衍生基因PGBD5通过诱导发育性DNA断裂与体细胞基因组重排，调控哺乳动物大脑皮层神经元分化与环路形成。其功能缺失导致人类神经发育障碍综合征，并揭示了一种类似于免疫系统V(D)J重排的神经系统多样化机制。该研究为理解大脑复杂性发育提供了新范式，并为相关疾病诊疗提供了潜在靶点。论文发表于《Science Advances》，为转座子功能研究开辟了神经科学新视角。