《iScience》：Transcriptomics and functional genomics implicate WNT3 in hemispheric lateralization of speech production
编辑推荐：
本研究通过构建首个半球分辨的人类言语皮层转录组图谱，整合基因组学与功能基因组学数据，揭示了rs62060948-MYC-WNT3调控轴在言语产生相关脑区（特别是右半球BA44区）表达侧化中的关键作用，并通过小鼠模型证实左侧纹状体Wnt3过表达可改变超声发声特征，为理解言语加工的分子基础提供了新视角。
人类言语是人类独有的复杂沟通系统，其进化奠定了人类社会和文化发展的基础。这一能力并非单一特质，而是依赖于解剖结构、神经回路和遗传因素的综合作用。尽管科学家们已经发现了一些与言语和语言相关的基因（如著名的FOXP2基因），并且通过全基因组关联研究(GWAS)识别出许多与语言相关障碍相关的遗传位点，但将这些遗传变异与言语产生的具体分子机制联系起来的因果路径仍然不甚清晰。
人类言语加工主要依赖于左半球的功能神经解剖结构，包括布洛卡区(Broca's area)、韦尼克区(Wernicke's area)等关键区域。然而，这种半球特化现象背后的基因表达差异，尤其是跨多个言语相关脑区的系统性研究仍然缺乏。为了解决这一知识空白，研究人员开展了这项发表在《iScience》杂志上的研究，旨在构建一个半球分辨率的人类言语加工相关皮层转录组图谱，并探索基因表达侧化与言语功能的关系。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：收集了5名成人捐赠者的13个布罗德曼区(BA)的双侧皮层样本（共125个样本）进行RNA测序(RNA-seq)，构建半球分辨的转录组图谱；整合GWAS数据、脑表达数量性状位点(cis-eQTL)分析和增强子注释，识别功能遗传变异；通过染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)和定量PCR(ChIP-qPCR)验证转录因子结合；利用腺相关病毒(AAV)介导的基因过表达技术在小鼠 dorsal striatum（背侧纹状体）进行功能验证；使用DeepSqueak深度学习框架分析小鼠超声发声(USV)特征。
神经解剖学组织与样本采集
研究人员分析了5名63-87岁捐赠者的125个皮层样本，涵盖了13个与言语加工相关的布罗德曼区（BA22, BA21, BA37, BA39, BA40, BA41, BA42, BA44, BA45, BA9, BA6, BA4, BA3/1/2），每个区域均采集了左右半球样本。所有捐赠者均无言语加工相关精神或神经系统疾病的个人或家族史。
人类言语加工相关脑区的基因表达模式
转录组分析揭示了皮层区域特异性的表达模式，并表现出半球依赖性差异。左-右半球比较显示，不同皮层区域的差异表达基因数量存在显著差异，例如BA41区域有215个显著差异表达基因，表明转录侧化具有区域特异性而非全皮层均匀分布。半球内区域间比较进一步显示，左右半球具有不同的区域间差异表达模式。功能富集分析发现，这些差异表达基因显著富集于突触传递、神经递质处理、轴突髓鞘形成以及神经血管耦合等过程。加权基因共表达网络分析(WGCNA)揭示了与特定脑区相关的基因模块，其中一个髓鞘形成相关模块（MEblack）与BA4区呈显著正相关。
差异表达基因与GWAS整合识别功能性言语加工相关位点
研究人员将言语、语言和阅读相关性状的GWAS结果与转录组数据整合，识别出58个与言语加工相关的候选基因。这些基因与590个脑组织cis-eQTL相关，其中37.8%位于超级增强子(SE)区域，显著富集。通过共定位分析，最终确定了16个候选基因，其中包括在右半球BA44区表达显著高于左半球的WNT3基因。对WNT3的进一步分析显示，其在多种神经发育、神经精神和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、额颞叶痴呆等）的神经元中表达发生变化，提示其可能在这些疾病的言语功能受损中发挥作用。
增强子变异rs62060948通过MYC调控WNT3表达
研究人员发现rs62060948位于KANSL1基因内含子区，是一个与言语加工相关的领先SNP。该位点富含MYC结合位点、活性组蛋白标记（H3K27ac, H3K4me3）和染色质可及性标记（DNase I）。ChIP-seq和ChIP-qPCR实验证实MYC可与包含rs62060948的增强子区域结合。 motif分析显示rs62060948位于MYC DNA结合 motif内，G等位基因比A等位基因具有更高的预测MYC结合亲和力。GTEx数据分析表明，rs62060948的G到A变异与多数脑组织中WNT3表达降低显著相关。 Hi-C数据显示rs62060948所在区域与WNT3启动子区域存在长程染色质相互作用。此外，在U87细胞中敲低MYC可导致WNT3mRNA水平显著降低，进一步证实了MYC对WNT3的正向调控作用。
纹状体Wnt3过表达对小鼠发声和运动的侧化调控
考虑到发声是言语的基础，而小鼠 dorsal striatum 在发声产生中起关键作用，研究人员在小鼠左侧或右侧 dorsal striatum 进行Wnt3过表达(Wnt3OE)，并评估其对超声发声(USV)和运动行为的影响。结果发现，仅在左侧 dorsal striatum 进行Wnt3OE可显著改变USV的频谱特征，包括增加最大频率、频率带宽和delta频率，降低最小频率和中位频率。而右侧Wnt3OE仅引起delta频率和频率带宽的显著降低，表明Wnt3OE对发声频谱的调控具有半球侧化效应。开放场实验显示，左侧Wnt3OE小鼠的总运动距离减少，提示其运动能力受损。分子水平上，左侧 dorsal striatum 的Wnt3OE导致髓鞘碱性蛋白(MBP)表达显著降低，而FOXP2表达未受明显影响。
研究结论与讨论部分指出，这项工作提供了首个跨多个言语加工相关区域的双半球人类皮层转录组图谱资源，揭示了基因表达的半球和区域依赖性差异。通过整合多组学数据，研究人员鉴定出rs62060948-MYC-WNT3这一新的调控轴，其可能通过影响基因表达的半球侧化参与言语相关神经环路的调节。小鼠实验证实，左侧 dorsal striatum 的Wnt3信号增加可侧化地改变发声行为和运动活动，并伴随髓鞘相关蛋白的变化，这为理解WNT信号在调节与发声相关的侧化皮层-纹状体环路功能中的作用提供了初步证据。
该研究的重要意义在于将调控变异与侧化基因调控及环路功能联系起来，为理解言语交流的分子连续性提供了新的视角。所创建的多区域资源将支持在人类组织和动物模型中进行更深入的机制研究。然而，研究也存在一些局限性，如人类样本量有限，小鼠USV变化的生态学意义有待进一步阐明等。未来的研究需要着重阐明WNT3下游靶点及其与MYC调控通路等的相互作用，从而更深入地揭示言语及相关发声行为的神经基础。
