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12月12日，北京生命科学院、中国科学院、温州医科大学、首都儿科研究所孙中生团队合作在Advanced Science上在线发表题为Loss-of-Function of p21-Activated Kinase 2 Links BMP向关于管图案缺陷的神经研究论文发出信号。 该研究围绕神经管缺陷的致病机制，综合运用神经生物学、人类遗传学、多组学等技术手段，揭示PAK2调控背外侧铰链点形成和神经管发育及其在多种模式生物中的功能异常引起的神经管缺陷的致病机制为探索神经管缺陷的病理机制提供了新的视角。

神经管是中枢神经系统发育的基础，在胚胎晚期发育成脑和脊柱。 在脊椎动物中，神经管闭合是一个高度复杂且动态调节的过程，涉及许多由遗传和表观遗传因素精确控制的细胞事件。 神经管异常闭合可导致神经管缺陷。 神经管缺陷病死率和致畸率高，给患者家属带来沉重的经济和精神负担。 神经管缺陷是胎儿和新生儿最严重的出生缺陷之一。

PAK家族是一类可以调节细胞骨架的蛋白激酶。 该团队之前的研究确定了PAK2在大脑发育中的重要功能，并阐明了PAK2在自闭症发病机制中的分子机制（Wang et al., 2018）。 这项研究发现，Pak2 纯小鼠和无效小鼠在胚胎第 9.5 天发育迟缓，并表现出颅脊柱裂表型。 进一步研究发现，在胚胎第 9.5 天，Pak2 纯小鼠和 null 小鼠未能抬起后脑和脊柱的双侧神经板，导致背外侧铰链点形成失败。 这表明 PAK2 基因对于整个头尾轴的背外侧曲率是必不可少的。 通过分析胚胎9.5天的转录组，研究发现Pak2 pure和null小鼠的差异表达基因在初级神经管形成、前脑、中脑、后脑发育、模式规范过程和脊柱发育过程中显着富集。 这些差异表达的基因也在 BMP 信号通路中显着富集。 BMP 信号通路的多个配体（如 BMP4/5 和下游 Smad9）的磷酸化水平在 Pak2 纯小鼠和无效小鼠中显着增加。 研究团队进一步对Smad9蛋白417位丝氨酸进行突变，减弱PAK2与Smad9蛋白的相互作用，解除PAK2对Smad9蛋白465位丝氨酸磷酸化的抑制。 上述工作提示PAK2可通过调节Smad9蛋白的磷酸化水平抑制BMP信号通路全前脑畸形，促进双侧神经板的抬升和神经管背外侧铰链点的形成。

单细胞测序技术进一步表明，Pak2的纯度和缺失可影响中胚层细胞向神经管、前脑和脊柱的分化轨迹，使前脑、后脑和脊柱相关细胞从神经管和神经管发育而来类型明显下降。 与野生型胚胎相比，Pak2 纯胚胎和无效胚胎的神经管发育分数和前脑（尤其是间脑）发育分数有所降低。 同时，BMP 信号通路和该信号通路中的基因表达在 Pak2 纯胚胎和无效胚胎中增加。 这表明 Pak2 纯胚胎和无效胚胎的异常分化时间与异常转录状态有关。

该团队在具有神经管缺陷的流产胎儿中检测到 PAK2 基因的五个点突变。 利用NanoString检测方法，研究发现携带PAK2突变的胎儿脑组织中PAK2水平降低，BMP信号通路中多个基因水平升高。 同时研究发现，PAK2突变点可以影响PAK2蛋白的稳定性，抑制ATP转化为ADP的水平，显着降低PAK2活性形式pPAK2的水平全前脑畸形，提示突变点影响PAK2 激酶活性。

该研究利用CRISPR-Cas9系统构建了斑马鱼pak2a特异性敲除模型。 该模型在出生后 48 小时在头部的背前区域形成了一个明显的空腔，表明神经管发育异常。 研究pak2a-knockout斑马鱼神经管缺陷患者携带的PAK2突变位点过表达，发现斑马鱼神经管缺陷表型无法得到改善。

综上所述，本研究从神经管的特定发育事件（背外侧铰链点的形成）出发，从细胞的动态和时间序列发育过程（单细胞测序技术），分子机制（磷酸化激酶） activity)和信号通路(BMP pathway)等多层次，阐明了PAK2在多种脊椎动物神经管发育中的作用机制。

北京生命科学院孙中生团队王艳副研究员、温州医科大学硕士生张开帆、首都儿科研究所郭进副研究员和杨树艳助理研究员为该论文的共同第一作者北京生命科学院孙中生研究员和首都儿科研究所张婷研究员为该论文的共同通讯作者。 该研究工作得到国家自然科学基金和广东省重点领域研发计划的支持。

图 1. Pak2 纯胚胎和无效胚胎的异常分化时间

图 2. PAK2 在神经管发育中的作用机制