《Neuroscience Bulletin》：FOXG1 Hierarchically Shapes Synaptic Functions in Striatal iSPNs and Contributes to ASD Etiology
编辑推荐：
本研究揭示了转录因子FOXG1在纹状体间接通路棘状投射神经元（iSPN）中通过直接激活AMPAR亚基（Gria1/Gria2/Gria3）的转录，层级性调控突触功能，其缺失导致兴奋性突触传递受损及ASD样行为；药理增强AMPAR活性可逆转突触与行为缺陷，为FOXG1综合征及ASD提供了新的治疗视角。
大脑纹状体作为基底神经节的“门户”，负责整合社交行为、语言处理、运动协调和情感调节等信息。其功能障碍与自闭症谱系障碍（ASD）密切相关，但具体的分子机制尚未完全阐明。FOXG1综合征是一种与ASD共享核心特征的神经发育障碍，由FOXG1基因突变引起。值得注意的是，Foxg1基因完全敲除的小鼠会缺失包括纹状体在内的腹侧前脑结构，提示FOXG1在腹侧端脑发育中可能扮演关键角色。然而，FOXG1在特定的纹状体神经元群体，尤其是间接通路棘状投射神经元（iSPN）中的具体功能，以及其如何参与ASD的病理过程，仍有待深入探索。
为了回答这些问题，研究人员在iSPN中特异性敲除了Foxg1基因（Drd2-Cre;Foxg1fl/fl;Ai9，简称Foxg1 cKO），发现这些小鼠表现出典型的ASD样行为，包括社交新颖性偏好受损、幼崽超声呼叫（USV）减少等沟通障碍，以及平衡木测试、向日葵种子剥壳测试和筑巢行为中表现出的精细运动缺陷。在突触水平上，Foxg1缺失导致iSPN树突复杂性降低、树突棘密度减少，以及微型兴奋性突触后电流（mEPSC）的频率和振幅显著下降，表明兴奋性突触传递功能受损。进一步的电生理记录显示，AMPAR/NMDAR电流比值降低，而配对脉冲比率（PPR）无显著变化，提示缺陷主要位于突触后。
通过转录组测序（RNA-Seq）分析，研究者发现Foxg1 cKO小鼠纹状体中有2161个基因表达异常，其中211个是已知的ASD风险基因。基因本体（GO）分析显示，这些差异表达基因显著富集于“树突棘形态发生”、“突触组织”、“离子跨膜运输”、“谷氨酸受体簇集”等突触相关功能条目。CUT&Tag测序技术进一步揭示，FOXG1能直接结合至AMPAR核心亚基基因Gria1、Gria2和Gria3的启动子区域，直接激活其转录。荧光素酶报告基因实验证实了FOXG1对这三个基因启动子活性的增强作用。
蛋白互作网络（PPI）分析鉴定出一个以AMPAR相关基因（Gria1, Gria2, Gria3, Cacng2等）为核心的高度互联模块，提示FOXG1通过协调一个庞大的转录网络来调控iSPN的突触功能。值得注意的是，使用AMPAR阳性变构调节剂CX546对Foxg1 cKO小鼠进行为期7天的干预，能够有效恢复其iSPN的mEPSC频率、振幅以及AMPAR/NMDAR比值，并部分挽救其社交新颖性偏好和筑巢行为缺陷。这表明，靶向增强AMPAR功能可能是缓解由FOXG1缺失引起的突触和行为异常的一种潜在策略。
本研究由东南大学动物伦理委员会批准（批件号#20211014001），相关论文已发表在《Neuroscience Bulletin》上。该研究不仅揭示了FOXG1在iSPN中调控突触功能的新角色，深化了对ASD病因学的理解，也为FOXG1综合征及相关ASD的治疗提供了新的思路和靶点。
关键技术方法概览
本研究综合利用条件性基因敲除小鼠模型，通过行为学测试（三室社交、超声发声、平衡木、种子剥壳、筑巢、加速旋转棒）评估ASD样表型；采用免疫荧光、Western Blot、qPCR进行表达验证；通过稀疏病毒标记与形态学分析（Sholl分析、树突棘密度计数）观察神经元结构；利用全细胞膜片钳技术记录mEPSCs、AMPAR/NMDAR比值等电生理指标；结合RNA-seq、CUT&Tag测序、生物信息学分析（GO、PPI网络、MCODE、CytoHubba）筛选FOXG1靶基因及调控网络；并通过荧光素酶报告基因实验验证FOXG1对靶基因的直接转录调控；最后使用AMPAR增强剂CX546进行药理学挽救实验。
研究结果
Foxg1在iSPN中的缺失导致小鼠出现ASD样行为
研究人员发现，与对照组相比，Foxg1 cKO小鼠在自发活动性上无差异，但在三室社交测试中表现出正常的社交能力而社交新颖性偏好受损。在幼年期（P4和P7），Foxg1 cKO幼崽的超声呼叫总次数和呼叫持续时间均显著减少。在精细运动测试中，Foxg1 cKO小鼠穿越平衡木时间更长，成功剥开的向日葵种子数量更少，筑巢质量更差，并且在加速旋转棒测试中表现出运动学习能力下降。
Foxg1缺失导致iSPN分布异常、树突复杂性及树突棘密度降低
通过原位杂交和qPCR证实，Foxg1 cKO小鼠纹状体中iSPN标志物Drd2、Adora2a和Penk的mRNA水平显著降低，并且iSPN出现异常的聚集。病毒稀疏标记结合形态学分析显示，Foxg1 cKO iSPN的树突分支数量、总长度及复杂性（Sholl分析）均减少，树突棘密度也明显下降。
Foxg1缺失损害iSPN中AMPAR介导的兴奋性突触传递
膜片钳记录发现，Foxg1 cKO iSPN的mEPSC频率和振幅均降低，AMPAR/NMDAR电流比值显著下降，而PPR无变化，表明突触后AMPAR功能受损是主要原因。小鼠的内在膜特性（静息膜电位、输入电阻）和动作电位发放频率未受影响。
FOXG1驱动调控iSPN突触功能的转录网络
RNA-seq筛选出89个与突触功能相关的FOXG1调控差异表达基因，其中61个是CUT&Tag鉴定的FOXG1直接靶基因。这些基因涉及AMPA受体（Gria1/2/3）、支架蛋白（Dlg4/Shank3）、离子通道、囊泡运输、细胞粘附等多个方面。PPI网络和MCODE/CytoHubba分析均识别出以AMPAR相关基因为核心的关键模块。
FOXG1直接激活AMPAR亚基Gria1、Gria2和Gria3的转录
qPCR和Western Blot证实Foxg1 cKO小鼠纹状体中Gria1、Gria2、Gria3在mRNA和蛋白水平均下调。CUT&Tag在三个基因的启动子区均检测到明显的FOXG1结合峰，且敲除后结合信号减弱。荧光素酶报告基因实验证明，FOXG1过表达可显著增强Gria1、Gria2、Gria3启动子的活性。
药理学增强AMPAR功能可挽救Foxg1 cKO小鼠的突触功能障碍和ASD样行为
给予AMPAR阳性变构调节剂CX546治疗后，Foxg1 cKO小鼠iSPN的mEPSC频率、振幅以及AMPAR/NMDAR比值均得到显著改善。在行为学上，CX546处理挽救了小鼠的社交新颖性偏好和筑巢行为缺陷，但对向日葵种子剥壳能力的改善未达统计学显著性。
研究结论与意义
本研究系统地阐明了转录因子FOXG1在纹状体iSPN发育和功能中的关键作用。FOXG1通过直接转录激活AMPAR亚基基因（Gria1, Gria2, Gria3）等，层级性地协调一个庞大的基因网络，从树突形态发生、突触成熟、离子跨膜运输、谷氨酸受体簇集、神经递质释放到突触传递等多个维度，精密调控iSPN的突触功能。Foxg1在iSPN中的特异性缺失，破坏了这一网络，导致AMPAR介导的兴奋性突触传递功能受损，进而引发包括社交缺陷、沟通障碍和精细运动异常在内的ASD样行为。最重要的发现是，通过药理学手段（CX546）增强AMPAR活性，能够有效逆转突触功能缺陷并改善核心行为表型。这不仅为FOXG1综合征的病理机制提供了来自iSPN视角的新见解，揭示了AMPAR功能下调是其重要的下游事件，而且强有力地提示了靶向AMPAR可能是治疗FOXG1综合征乃至部分具有类似突触病理特征的ASD的潜在新策略。该研究将转录调控、突触功能与复杂行为紧密联系起来，深化了对ASD病因中纹状体间接通路失调机制的理解。
